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ESTUDO DO COMPORTAMENTO HIDRÁULICO,
MECÂNICO E QUÍMICO DE BARREIRAS HIDRÁULICAS
VERTICAIS, COMPOSTAS POR SOLO RESIDUAL,
BENTONITA E CIMENTO SOB AÇÃO DE SUBSTÂNCIAS
AGRESSIVAS
Rosemar Gomes Lemos
Porto Alegre
Agosto 2006
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ROSEMAR GOMES LEMOS
ESTUDO DO COMPORTAMENTO HIDRÁULICO,
MECÂNICO E QUÍMICO DE BARREIRAS HIDRÁULICAS
VERTICAIS, COMPOSTAS POR SOLO RESIDUAL,
BENTONITA E CIMENTO SOB AÇÃO DE SUBSTÂNCIAS
AGRESSIVAS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
como parte dos requisitos para obtenção do título de DOUTOR EM
ENGENHARIA
Porto Alegre
Agosto 2006
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L557e Lemos, Rosemar Gomes
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras
hidráulicas verticais, compostas por solo residual, bentonita e cimento sob
ação de substâncias agressivas / Rosemar Gomes Lemos. – 2006.
310p.
Tese (doutorado) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Escola
de Engenharia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Porto
Alegre, BR-RS, 2006.
Orientação : Prof. Dr. Nilo Cesar Consoli
Profª. Dra. Karla Salvagni Heineck
1. Condutividade hidráulica – Solos – Ensaios. 2. Bentonita. 3. Contami-
nação do solo. 4. Engenharia civil. I. Consoli, Nilo Cesar, orient. II. Heineck,
Karla Salvagni, orient. III. Ferreira, José Maria da Fonte, co-orient. IV.
Título.
CDU-628.39( 043)
ROSEMAR GOMES LEMOS
ESTUDO DO COMPORTAMENTO HIDRÁULICO,
MECÂNICO E QUÍMICO DE BARREIRAS HIDRÁULICAS
VERTICAIS, COMPOSTAS POR SOLO RESIDUAL,
BENTONITA E CIMENTO SOB AÇÃO DE SUBSTÂNCIAS
AGRESSIVAS
Esta tese de doutorado foi julgada adequada para a obtenção do título de DOUTORA EM
ENGENHARIA e aprovada em sua forma final pelos professores orientadores e pelo
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do
Sul.
Porto Alegre, 11 de agosto de 2006.
Prof. Nilo César Consoli
PhD. Concórdia University - Canadá
Orientador
Profª. Karla Salvagni Heineck
Dr. Eng. pela Universidade Federal do Rio
Grande do Sul
Orientadora
Prof. Fernando Schnaid
Coordenador do PPGEC/UFRGS
BANCA EXAMINADORA
Prof. Antônio Thomé (UPF/RS)
D.Eng. pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Prof. Denise C. C. Dal Molin (UFRGS/RS)
D. Eng. pela Universidade de São Paulo.
Prof. Fernando Schnaid (UFRGS/RS)
Ph.D., Oxford University - UK
Prof. Pedro Domingos Marques Prietto (UPF/RS)
D.Eng. pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Dedico este Trabalho a MINHA avó Celina e a “Mano”
Antonio Carlos (in memoriam), faróis que iluminaram e
nortearam a minha vida.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho é resultado da superação de limites em todos os sentidos: técnico, científico e
emocional. É produto de um processo de pesquisa que aliou conhecimentos de várias áreas.
Muitas foram as Instituições e pessoas que colaboraram para que ele se efetivasse. E aqui
quero deixar meu profundo agradecimento e reconhecimento.
Ao meu marido Claudinei e filhos, Lisiane e Renan, por todo amor, carinho, auxílio e altivez
quando não pude estar junto de vocês.
Aos meus pais, Eva Eliana e Leônidas, pela educação, apoio e lições de perseverança e aos
meus irmãos Alessandra, Cristiane e Anderson pelo estímulo e carinho em todos os
momentos.
A minha sogra Thereza, grande guerreira de quem extraí muitos exemplos pra não desistir de
alcançar meus objetivos.
A minha prima e irmã de coração Arinda Beatriz que, juntamente com minha secretária
Serlei, na minha ausência, cuidaram de meus filhos com tanto zelo e carinho.
Aos meus primos José Ronei e Antônio Carlos que viram o início desta caminhada, me
acompanharam, incentivando e ajudando nos momentos difíceis, mas que partiram antes do
seu final.
As amigas, Rita Reis, Rosselane, Bia, Heloisa, Regina e Cândida pelo carinho, fraternidade,
cumplicidade e incentivo através das tantas cartas e e-mails que me fizeram sentir tão perto.
À Dulce, professora de inglês, amiga e porque não dizer irmã, que com sua filha Kim, me
trataram com carinho, aconselhando-ME e incentivando-me na busca de novos horizontes.
As amigas Juliana, Alzira e Deisi, as brasileiras que em Portugal foram grandes
companheiras. E, também, ao Seu Antônio e Dona Eugênia, meus pais adotivos de além mar,
que trataram-me como uma filha até escutando muito pagode sem reclamar.
Ao CNPq e Capes, pela concessão das bolsas de estudo no Brasil e no exterior.
A Buschle & Lepper S/A, representante na região sul da Empresa Bentonisa do Brasil S.A.
pelo fornecimento dos dados técnicos relativos a bentonita utilizada neste Trabalho.
7
Ao Orientador Nilo, mais que condutor de pesquisa, foi amigo, conselheiro, incentivador,
reforçando confiança para que eu superasse o que julgava ser o limite das minhas forças.
Aos co-orientadores Karla e José Maria pelo interesse, apoio e amizade, além das doses de
entusiasmo e amparo de vocês.
Ao Bolsista, amigo e irmão Emmanuel, pelo companheirismo, cumplicidade, profissionalismo
e colaboração intelectual na realização deste Trabalho.
A todos professores do Curso de Pós-graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal
do Rio Grande do Sul, pelos ensinamentos e atenção dispensados a mim. Especialmente ao
Fernando Schnaid pela amizade, incentivo e entusiamo e as amigas do corpo administrativo
Liliane, Rita, Eléa, Carmem pela ajuda na solução das questões burocráticas com tanta
atenção e eficiência.
Ao Professor Cláudio Renato R. Dias, meu grande amigo e incentivador e aos professores
Antônio Thomé, Beatrice Baudet, Carin Maria Schmitt, Denise Dal Molin, Matthew Coop e
Pedro Domingos Marques Prietto pelos inúmeros esclarecimentos, dicas e sugestões.
A toda equipe do ENVIRONGEO, que comigo compartilhou estes anos de estudo,
especialmente os colegas Alexandre, Rodrigo, Lucas, José, Francisco, Rodrigo Azambuja e
Augusta Brenner que me auxiliaram através da troca de experiências, discussões e sugestões.
Aos funcionários da UFRGS Eder, João, Jair, Ivan e Aldoni, pela amizade, pelos
esclarecimentos prestados, pelo empréstimo de equipamentos e auxílio, a partir do
conhecimento e experiência utilizados em prol da realização dos ensaios e montagem do
equipamento.
Aos funcionários e pós-graduandos do Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro da
Universidade de Aveiro, PT, especialmente, aos colegas Catarina, Ventura, Jorge, Suzana,
Alexandra, Avito, Paula e Sandra, pelo carinho com que me trataram e pela colaboração na
realização dos ensaios e interpretação dos dados obtidos.
E por fim, a Deus sem o qual este Trabalho não seria possível.
“...o soldado da paz não pode ser derrotado
ainda que a guerra pareça perdida
pois quanto mais se sacrifica a vida
mais a vida e o tempo são seus aliados
não há perigo
que vá nos parar
se o bom de viver é estar vivo
ter amor, ter abrigo
ter sonhos, ter motivos para cantar...”
(Toni Garrido, Lazão, Da Gama, Bino e Herbert Viana)
Trecho de “Soldado da paz”
RESUMO
LEMOS, R.G. Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras
hidráulicas verticais, compostas por solo residual, bentonita e cimento sob ação de
substâncias agressivas, 2006. Tese (Doutorado em Engenharia) – Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre.
Este estudo tem como objetivo analisar os comportamentos hidráulico, mecânico e micro-
estrutural de misturas compostas, por solo residual arenito Botucatu e bentonita sódica, com e
sem adição de cimento, quando permeadas por água (H
2
O), soda cáustica (NaOH), na
concentração de 5% e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) na mesma concentração para sua possível
utilização em barreiras de contenção de contaminantes do tipo slurry wall. O arenito, solo
areno-siltoso característico da região de São Leopoldo/ RS, compõe a matriz das misturas,
sendo que a bentonita sódica confere a estas características impermeabilizantes,
imprescindíveis às barreiras hidráulicas de contenção. O cimento, além de fazer com que a
mistura adquira resistência, interfere na reatividade da barreira, mediante os contaminantes
utilizados. A estimativa da eficiência destas misturas baseou-se na comparação entre os
valores do coeficiente de condutividade hidráulica, resistência à compressão simples e
parâmetros de compressibilidade determinados através dos ensaios de compressão confinada,
apresentados nos ensaios com e sem contaminação, conjuntamente com a análise micro-
estrutural das misturas nas mesmas situações. Foram feitas análises químicas por Difração de
Raios-x, Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) e Análise Química Elementar (EDS)
visando à explicação ordinária das causas microestruturais que levam as misturas a
determinado comportamento sob percolação de contaminantes. Na busca do efeito de cada
componente sobre o comportamento final de determinada mistura, houve a necessidade de
realizar análises químicas e microscópicas individuais, também sob interferência ou não de
substâncias agressivas. A partir deste estudo foi possível inferir que a mistura solo-cimento-
bentonita, é adequada à utilização como barreira vertical quando o contaminante for ácido
sulfúrico, por no mínimo 20 semanas, já que a eficiência da mesma foi comprovada pela
realização de ensaios no permeâmetro de parede rígida, considerado adequado para este tipo.
O uso da mistura solo bentonita para barreiras verticais pode ser emergencial visto que
quando o contaminante for soda cáustica a mistura resiste por 4 dias.
Palavras-chave: bentonita, cimento, contaminação de solos, permeâmetro de parede rígida.
ABSTRACT
LEMOS, R.G. Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras
hidráulicas verticais, compostas por solo residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias
agressivas, 2006. Tese (Doutorado em Engenharia) – Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre.
Study of the Hydraulic, Mechanic and Chemical Behavior of Verticals Hydraulic
Barriers composed by Sandy Soil, Bentonite and Cement under Aggressive Substances’
Action
The objective of this study is to analyze the hydraulic, mechanical and micro-structural
conduct of composite mixtures of Botucatu residual soil and sodic bentonite, with and without
cement addition, when permeated by water (H
2
O), caustic soda (NaOH) in a concentration of
5% and sulfuric acid in the same concentration to their possible utilization in contention of
contaminant barriers of the slurry walls type. The sandy soil constitutes part of the matrix of
the mixtures. The sodic bentonite confers to these mixture essential waterproof characteristics
of hydraulic barriers of containment. The cement interferes on the barrier reactivity moreover
add resistance to the mixture by the contaminants that were utilized. The efficiency estimation
of these mixtures was established by comparison between hydraulic conductive coefficient,
unconfined compression strength and one dimensional compressibility presented on the tests
with or without contamination, with the mixture micro-structural and chemical analysis on the
same situations: X-ray diffraction, scanning electronic microscopy, Elemental Chemical
Analysis (EDS), they want to explain the micro-structural causes that make the mixtures to
determinate behavior by percolating of contaminants. Searching the effect of all components
about the final behavior of determined mixture there was the necessity to carry out chemical
and microscopically individual analysis also by aggressive or non-aggressive substances
interference. After completed the study, it is possible to affirm that the soil-cement-bentonite
mixture, is good for using as a vertical barrier when the contaminant is sulfuric acid, based on
the results of rigid wall permeameter, adequate for this kind of mixture. The use of soil-
bentonite mixture as vertical barrier for caustic soda could be done just in emergency cases
and for a short period of time, once that after some time the barrier reduces drastically its
efficiency.
Key-words: bentonite, cement, contamination of soils; rigid wall permeameter.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. 15
LISTA DE TABELAS ................................................................................................ 25
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ................................................................ 27
LISTA DE SÍMBOLOS .............................................................................................. 29
1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 31
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS .............................................................................. 31
1.2 PROBLEMA DE PESQUISA ................................................................................ 32
1.3 RELEVÂNCIA E JUSTIFICATIVA DO TRABALHO ....................................... 32
1.4 A HIPÓTESE A SER TESTADA .......................................................................... 34
1.5 OBJETIVOS CIENTÍFICOS E TÉCNICOS .......................................................... 34
1.5.1 Objetivos Gerais ................................................................................................. 34
1.5.2 Objetivos Específicos ......................................................................................... 34
1.6 ORGANIZAÇÃO DA TESE .................................................................................. 35
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 36
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ............................................................................... 36
2.2 BARREIRAS HIDRÁULICAS VERTICAIS (SLURRY WALLS) ......................... 36
2.2.1 Conhecimentos Básicos...................................................................................... 36
2.2.2. Construção de Paredes de Lama...................................................................... 39
2.2.2.1 Barreiras de solo-bentonita (soil-bentonite slurry wall) ................................... 40
2.2.2.1.1 Escavação do trecho....................................................................................... 41
2.2.2.1.2 Preparação da lama bentonítica ................................................................... 43
2.2.2.1.3 Preparação e colocação do material de preenchimento ............................... 44
2.2.2.1.4 Limpeza da área ............................................................................................ 45
2.2.2.2 Barreiras de solo-cimento-bentonita ................................................................. 46
2.2.2.2.1 Escavação do trecho ...................................................................................... 46
2.2.2.2.2 Mistura do material de preenchimento .......................................................... 46
2.2.3 Comportamento Químico e Mecânico das Matérias-primas Utilizadas ....... 48
2.3 TÉCNICAS E MÉTODOS ANALÍTICOS UTILIZADOS NO ESTUDO DE
MATERIAIS ............................................................................................................
51
2.3.1.Difração de Raios-x ............................................................................................ 52
2.3.2 Análise Térmica Diferencial (ATD) e Termogravimétrica (ATG) ................ 53
2.3.3 Reologia ............................................................................................................... 54
2.3.3.1 Conceitos básicos............................................................................................... 58
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
12
12
2.3.3.1.1 Velocidade ..................................................................................................... 58
2.3.3.1.2 Gradiente de velocidade (D ou γ) .................................................................. 59
2.3.3.1.3 Tensão de corte (
τ
) .........................................................................................
60
2.3.3.1.4 Fluidos newtonianos (ou normais) ................................................................ 61
2.3.3.1.5 Fluídos não Newtonianos (ou anormais) ....................................................... 62
2.3.3.2 Determinação das características reológicas ..................................................... 67
2.3.3.3 Parâmetros que influenciam o comportamento reológico ................................. 68
2.3.4 Microscopia Eletrônica ...................................................................................... 70
2.3.5 Ensaio para Determinação da Condutividade Hidráulica ............................. 71
2.4 MATÉRIAS-PRIMAS DO MATERIAL DE PREENCHIMENTO ...................... 74
2.4.1 Cimento Portland ............................................................................................... 74
2.4.1.1 Hidratação do cimento Portland ....................................................................... 76
2.4.1.2 Deterioração por reações químicas .................................................................. 83
2.4.1.3 Reações químicas envolvidas no ataque por sulfatos ...................................... 84
2.4.1.4 Reações entre pasta de cimento e materiais agregados ..................................... 87
2.4.1.5 Condutividade hidráulica da Pasta de cimento ................................................ 88
2.4.2 Bentonita
...........................................................................................
89
2.4.2.1 Troca catiônica e reatividade das argilas .......................................................... 91
2.4.2.2 Hidratação das argilas ....................................................................................... 92
2.4.2.3 Influência dos cátions sobre a hidratação das argilas ....................................... 93
2.4.2.4 Tipos de ligações entre placas de argilas .......................................................... 94
2.4.2.4.1 Floculação e defloculação ............................................................................. 95
2.4.3 Solo .................................................................................................................... 98
2.4.3.1 Fatores que afetam a adsorção de sulfatos ........................................................ 98
2.4.3.2 Mecanismos de adsorção de sulfato .................................................................. 100
2.4.3.3 Influência de substâncias cáusticas sobre o solo ............................................... 101
2.5 LÍQUIDOS PERCOLANTES – ENSAIO DE CONDUTIVIDADE
HIDRÁULICA
..........................................................................................
106
2.5.1 Ácido Sulfúrico – H
2
SO
4
.................................................................................... 107
2.5.2 Soda Cáustica (hidróxido de sódio) – NaOH ................................................... 108
3. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................... 109
3.1 PROGRAMA EXPERIMENTAL ..................................................................... 109
3.1.1 Considerações Iniciais ........................................................................................ 109
3.1.2 Ensaios Preliminares .......................................................................................... 112
3.1.2.1 Caracterização Física dos Materiais ................................................................. 112
13
3.1.2.2 Ensaios de Resistência à Compressão não Confinada ...................................... 112
3.1.3 Estudo do comportamento Hidráulico e Mecânico das Misturas SB e SCB 115
3.1.3.1 Projeto e Construção do Permeâmetro .............................................................. 116
3.1.3.1.1 Sistema hidráulico .......................................................................................... 116
3.1.3.1.2 Sistema de medição de fluxo .......................................................................... 117
3.1.3.1.3 Células do permeâmetro ................................................................................ 117
3.1.3.1.4 Bases - inferior e superior ............................................................................. 118
3.1.3.1.5 Dispositivo para a medição das dimensões da amostra ................................ 120
3.1.3.1.6 Capela para exaustão de gases ...................................................................... 121
3.1.3.1.7 Sistema de funcionamento ............................................................................. 122
3.1.3.2 Avaliação da Condutividade Hidráulica ........................................................... 124
3.1.3.3 Ensaios de Resistência à Compressão não Confinada ...................................... 126
3.1.3.4 Ensaio de Adensamento Unidimensional .......................................................... 129
3.1.4 Estudo do comportamento químico das misturas SB e SCB ...................... 131
3.1.4.1 Extração das amostras ....................................................................................... 132
3.1.4.2 Análise por Difratometria de Raios-x ............................................................... 135
3.1.4.3 Análise por Microscopia de Varredura ............................................................ 135
3.1.5 Determinação das propriedades químicas e mineralógicas dos
constituintes das misturas ......................................................................................
137
3.1.5.1 Cimento ............................................................................................................. 139
3.1.5.1.1 Monitoramento da temperatura da reação de hidratação do cimento........... 139
3.1.5.1.2 Verificação do desenvolvimento das reações de hidratação do cimento por
Difração de Raios-X e ATD .....................................................................................
142
3.1.5.1.3 Microscopia Eletrônica de Varredura .......................................................... 144
3.1.5.1.4 Microscopia Eletrônica de Transmissão e Análise Química Elementar ....... 145
3.1.5.2 Bentonita ........................................................................................................... 145
3.1.5.2.1 Preparação de Amostras ............................................................................... 145
3.1.5.2.2 Medição do pH .............................................................................................. 147
3.1.5.2.3 Variação granulométrica .............................................................................. 147
3.1.5.2.4 Análise por Difração de Raios-X ................................................................... 148
3.1.5.2.5 Análise Química Elementar ........................................................................... 148
3.1.5.2.6 Análise térmica diferencial ............................................................................ 148
3.1.5.2.7 Ensaios de reologia ........................................................................................ 149
3.1.5.2.8 Análise por Microscopia de Varredura (SEM) .............................................. 150
3.1.5.2.9 Análise por Microscopia Eletrônica de Transmissão .................................... 150
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
14
14
3.1.5.3 Solo ................................................................................................................... 150
3.1.5.3.1 Seleção das amostras ..................................................................................... 150
3.1.5.3.2 Medição de pH ............................................................................................... 151
3.1.5.3.3 Difração de Raios-X ....................................................................................... 151
3.1.5.3.4 Microscopia Eletrônica por Varredura (SEM) .............................................. 152
3.1.5.3.5 Microscopia Eletrônica por Transmissão ...................................................... 152
3.1.5.3.6 Variação granulométrica .............................................................................. 152
3.1.6 Análise Química dos Lixiviados ........................................................................ 153
3.2 PROPRIEDADES FÍSICAS DAS MATÉRIAS-PRIMAS .................................... 153
3.2.1 Cimento ............................................................................................................... 154
3.2.2. Bentonita ............................................................................................................ 156
3.2.3. Solo ..................................................................................................................... 158
3.2.4 Água ..................................................................................................................... 162
3.2.5 Contaminantes .................................................................................................... 162
4. PROPRIEDADES HIDRÁULICAS E MECÂNICAS DAS MISTURAS DO
TIPO SB E SCB - RESULTADOS E ANÁLISES ...............................................
164
4.1 MISTURA DO TIPO SCB ..................................................................................... 164
4.1.1 Propriedades Hidráulicas - Ensaios de Condutividade Hidráulica .............. 164
4.1.2 Propriedades Mecânicas .................................................................................... 170
4.1.2.1 Ensaios de RCS ................................................................................................. 171
4.1.2.2 Ensaios de Adensamento .................................................................................. 173
4.2 MISTURA DO TIPO SB ........................................................................................ 181
4.2.1 Propriedades Hidráulicas - Ensaios de Condutividade Hidráulica ............... 181
4.2.1.1 Ensaios de Condutividade Hidráulica ............................................................... 181
5. PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DAS MATÉRIAS-PRIMAS -
RESULTADOS E ANÁLISES ..............................................................................
187
5.1 CIMENTO .............................................................................................................. 187
5.1.1. Monitoramento da Temperatura da Reação de Hidratação do Cimento .... 187
5.1.2 Verificação do Desenvolvimento das Reações de Hidratação do Cimento
por Difração de Raios-X e ATD ............................................................................
195
5.1.3 Microscopia Eletrônica de Varredura e Análise Química Elementar .......... 201
5.1.4 Microscopia Eletrônica de Transmissão e Análise Química Elementar ....... 212
5.2 BENTONITA .......................................................................................................... 222
5.2.1 Medição do pH ................................................................................................... 222
5.2.2 Variação Granulométrica .................................................................................. 222
15
5.2.3 Análise por Difração de Raios-x ....................................................................... 228
5.2.4 Análise Química Elementar .............................................................................. 233
5.2.4.1 Análise Química Elementar e Microscopia Eletrônica de Transmissão ........... 233
5.2.4.2 análise química elementar e Microscopia Eletrônica de Varredura .................. 239
5.2.5 Microscopia Eletrônica de Varredura ............................................................. 242
5.2.6 Análise Térmica Diferencial .............................................................................. 246
5.2.7 Ensaios de Reologia ............................................................................................ 249
5.3 SOLO ...................................................................................................................... 251
5.3.1 Medição de pH .................................................................................................... 252
5.3.2 Difração de Raios-x ............................................................................................ 253
5.3.3 Análise Química Elementar .............................................................................. 256
5.3.3.1 Análise Química Elementar e Microscopia Eletrônica de Transmissão ........... 256
5.3.3.2 Análise química elementar e microscopia eletrônica de varredura ................... 262
5.3.4 Microscopia Eletrônica de Varredura ............................................................. 270
5.3.5 Variação Granulométrica ................................................................................. 273
6 PROPRIEDADES QUÍMICAS DAS MISTURAS SB E SCB -
RESULTADOS E ANÁLISES ..............................................................................
275
6.1 MISTURAS SCB .................................................................................................... 275
6.1.1 Análise por Difratometria de Raios-X ............................................................. 275
6.1.2 Análise por Microscopia de Varredura e EDS ................................................ 277
6.1.3 Análise do Lixiviado ........................................................................................... 283
6.2 MISTURAS SB ....................................................................................................... 284
6.2.1 Análise por Difratometria de Raios-x .............................................................. 284
6.2.2 Análise por Microscopia Eletrônica de Varredura ........................................ 286
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÃO ................................................... 291
7.1 PROPRIEDADES HIDRÁULICAS E MECÂNICAS DAS MISTURAS DO
TIPO SCB E SB .......................................................................................................
292
7.2 ANALOGIA ENTRE AS PROPRIEDADES QUÍMICAS DETERMINADAS E
O COMPORTAMENTO HIDRÁULICO E MECÂNICO DAS MISTURAS SCB
E SB ..........................................................................................................................
294
7.3 CONCLUSÃO ....................................................................................................... 299
7.4 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................. 300
REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 302
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
16
16
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Tipos de paredes de lama. (a) solo/bentonita; (b) cimento/bentonita; (c)
geomembrana ....................................................................................................
37
Figura 2.2 – Volume da amostra x Condutividade Hidráulica x pH .............................. 38
Figura 2.3 – Execução de uma barreira hidráulica vertical ............................................ 40
Figura 2.4 – Escavação do trecho ................................................................................... 41
Figura 2.5 – Formação do filter cake: (a) deposição das partículas coloidais nos
vazios do solo; (b) filtração da lama por diferença de pressões; (c) formação
do filme protetor ao longo da face da escavação...............................................
42
Figura 2.6 – Processo Construtivo das Barreiras de solo-bentonita ............................... 44
Figura 2.7 – Lançamento da mistura de solo-cimento-bentonita para dentro do trecho
de escavação. ....................................................................................................
47
Figura 2.8 - % de solo arenoso versus resistência a compressão não confinada -
mistura solo-bentonita estabilizada com 4% de cimento, curada por 28 dias ..
50
Figura 2.9 – Modelo de placas paralelas utilizadas por Newton para explicar a
viscosidade de um líquido ................................................................................
55
Figura 2.10 - Gradiente de velocidades de um fluído que escoa no interior de um tubo
58
Figura 2.11 - Esquema utilizado para cálculo do gradiente de velocidade .....................
60
Figura 2.12 - Visualização panorâmica da tensão de corte e do gradiente de
velocidade de um líquido em modo laminar ....................................................
61
Figura 2.13 - Reograma de um fluído Newtoniano ........................................................ 62
Figura 2.14 - Reograma de um fluído Binghamiano ...................................................... 64
Figura 2.15 – Empilhamentos típicos de fluídos ( a)Newtonianos e (b)Binghamianos. 64
Figura 2.16 - Variação da viscosidade para um fluído Binghamiano quando não se
considera a tensão de cisalhamento (
τ
0
). ..........................................................
65
Figura 2.17 – Reograma de um fluído pseudo-plástico .................................................. 66
Figura 2.18 - Reograma de um fluído dilatante .............................................................. 67
Figura 2.19 – Curvas referentes à cinética da hidratação do cimento portland: a)
consumo das fases presentes no clínquer Portland; b) formação dos produtos
de hidratação. ....................................................................................................
78
Figura 2.20 – Curva típica do desenvolvimento de calor de hidratação de cimento
Portland (Odler, 1998 apud Pereira 2004). .......................................................
81
Figura 2.21 – Esquema do desenvolvimento da microestrutura da pasta de cimento
durante a hidratação (Coutinho, 2002). ............................................................
82
Figura 2.22 – Desenvolvimento micro-estrutural de um grão de cimento durante a
hidratação (Coutinho, 2002). ............................................................................
83
Figura 2.23 - Esquema do arranjo entre partículas de argila .......................................... 90
17
Figura 2.24 – Troca catiônica entre partículas de argila ................................................. 91
Figura 2.25 – Comparação de inchamento entre montmorilonita de cálcio e sódio ....... 92
Figura 2.26 - Tipos de ligações entre placas de argilas .................................................. 94
Figura 2.27 – Estrutura de flocos .................................................................................... 95
Figura 2.28 – Diferentes tipos de associação de partículas lamelares em suspensões
argilosas. (a) floculação BF (b) floculação BB; (c) agregação FF com
floculação BF; (d) agregação FF com floculação BB; (e) agregação FF com
floculação BF e BB. ..........................................................................................
96
Figura 2.29 – Suspensão defloculada. ............................................................................ 96
Figura 2.30 - Características de compressibilidade das amostras ensaiadas (Sudhakar
e Rao, 1994). .....................................................................................................
102
Figura 2.31 - Inchamento em amostras amolgadas e não amolgadas, pela percolação
de solução cáustica (Sudhakar e Rao, 1994). ...................................................
102
Figura 2.32 - Condutividade hidráulica versus volume de poros, para hidróxido de
sódio com pH=13,0 (Lentz et al., 1985). ..........................................................
103
Figura 2.33 – Percolação com diferentes líquidos de teste, em argila caulinítica
(Adaptado de Simons e Reuter, 1985)............................................................
105
Figura 3.1 - Organograma Programa Experimental ....................................................... 111
Figura 3.2 – (a)Mistura solo/bentonita; (b) Mistura solo/cimento/bentonita; (c) molde
do corpo de prova. ............................................................................................
114
Figura 3.3 - Medição da pressão de carga ...................................................................... 117
Figura 3.4 - Permeâmetro de parede rígida – conjunto cilindro para líquido permeante
e para amostra ...................................................................................................
118
Figura 3.5 - Componentes do cilindro para colocação da amostra. (a) anel de borracha
para vedação; (b) malhas em aço e hastes para fixação do anel de moldagem
ao cilindro; (c) peça porosa em aço inox; (d) fixação do anel de moldagem
ao cilindro; (e) cilindro de moldagem da amostra em aço inox .......................
119
Figura 3.6 - Bases dos cilindros para amostras. (a) base inferior; (b) base superior do
cilindro; (c) anel de moldagem. ........................................................................
120
Figura 3.7 – Detalhamento da instalação dos permeâmetros no interior da capela ........
121
Figura 3.8 - Esquema de funcionamento dos permeâmetros .......................................... 123
Figura 3.9 – Extração de amostra para ensaio de resistência à compressão não
confinada e moldagem do CP. (a) processo de extração da amostra; (b)
amostra extraída; (c) detalhe interno da mesma; (d) moldagem do corpo-de-
prova .................................................................................................................
128
Figura 3.10 – Misturas SCB permeadas por: (a) NaOH e (b) H
2
SO
4
– extraídas após
Ensaio de Condutividade Hidráulica ................................................................
129
Figura 3.11 – Ensaio de RCS – amostras SCB contaminada por H
2
SO
4
. (a) amostra
contendo as porções superior e inferior; (b) porções separadas após
rompimento da primeira porção; (c) amostra da porção inferior......................
129
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
18
18
Figura 3.12 – Ensaio de adensamento – montagem do equipamento. (a) preparação da
amostra para ensaio; (b) consolidômetro; (c) consolidômetro instalado na
prensa de adensamento e (d) Prensa de adensamento durante a realização do
ensaio. ...............................................................................................................
131
Figura 3.13 – Retirada de amostras ao final do ensaio de determinação de
condutividade hidráulica (a) cravação do cilindro para extração da amostra;
(b) detalhe da extração e (c) amostra retirada depois de seca em estufa...........
134
Figura 3.14 - Preparação das amostras de SB e SCB para análise por SEM. (a)
instrumentação utilizada para fixação das amostras; (b) amostras afixadas e
identificadas para procedimento do ensaio........................................................
135
Figura 3.15 – Microscópio Eletrônico de Varredura Hitachi S4100 .............................. 136
Figura 3.16 – Microscópio Eletrônico de Transmissão Hitachi H9000-Na ................... 136
Figura 3.17 - Equipamento Coulter LS 230, UK. (a) equipamento; (b) indicação do
local de inserção da solução..............................................................................
137
Figura 3.18 – Etapas do ensaio realizado para monitoração da temperatura de reação
do cimento ........................................................................................................
140
Figura 3.19 - Sistema de aquisição de dados para monitoração da temperatura da
reação de hidratação do cimento. (a) reator onde foi colocada a amostra; (b)
software em funcionamento – registro das temperaturas durante a hidratação.
141
Figura 3.20 - Preparação das amostras para DRX. (a) placa composta por uma
mistura de cimento e água - relação água/cimento igual a 0,3; (b) mistura
composta de cimento e água – relação água/cimento igual a 4; (c) amostra
imersa em etanol; (d) filtragem da amostra com uma bomba de vácuo............
144
Figura 3.21 – Preparação da suspensão contendo bentonita .......................................... 147
Figura 3.22 – Resistência mecânica à compressão do cimento CPV-ARI ..................... 154
Figura 3.23 – Difratograma do cimento CP V ARI in natura ........................................ 158
Figura 3.24 – Distribuição granulométrica da bentonita sódica ..................................... 158
Figura 3.25 – Localização da jazida de solo residual de arenito Botucatu (Thomé,
1999) .................................................................................................................
159
Figura 3.26 - Curva granulométrica do SRAB (Foppa, 2005) ....................................... 160
Figura 4.1 – tempo (h) x k (m/s) da mistura SCB permeada por água ........................... 165
Figura 4.2 – tempo (h) x pH da mistura SCB percolada por água ................................. 165
Figura 4.3 – tempo (h) x k (m/s) da mistura SCB permeada por água (H
2
O) e soda
cáustica .............................................................................................................
167
Figura 4.4 – tempo (h) x pH da mistura SCB permeada por água (H
2
O) e soda
cáustica (NaOH) ..............................................................................................
168
Figura 4.5 – Gráfico - tempo (h) x k (m/s) da mistura SCB permeada por água (H
2
O)
e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) .................................................................................
169
Figura 4.6 – Gráfico - tempo (h) x pH da mistura SCB permeada por água destilada
(H
2
O) e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) ......................................................................
169
19
Figura 4.7 – CPs extraídos de misturas SCB permeadas por H
2
SO
4
. (a) ensaio 15 –
idade: 14 semanas; (b) ensaio 14 – idade: 20 semanas. ...................................
172
Figura 4.8 – tensão (kPa) versus índice de vazios (e) – mistura tipo SCB percolada
por H
2
O .............................................................................................................
174
Figura 4.9 – tensão (kPa) versus coeficiente de adensamento (Cv) – mistura tipo SCB
percolada por H
2
O ............................................................................................
174
Figura 4.10 – tensão (kPa) versus índice de vazios – mistura tipo SCB percolada por
NaOH ................................................................................................................
176
Figura 4.11 – tensão (kPa) versus coeficiente de adensamento (Cv) – mistura tipo
SCB percolada por NaOH ................................................................................
176
Figura 4.12 – tensão (kPa) versus índice de vazios – mistura tipo SCB percolada por
H
2
SO
4
, porção superior ....................................................................................
177
Figura 4.13 – tensão (kPa) versus índice de vazios – mistura tipo SCB percolada por
H
2
SO
4
, porção inferior ......................................................................................
177
Figura 4.14 – tensão (kPa) versus coeficiente de adensamento (C
v
) – mistura tipo
SCB percolada por H
2
SO
4
, porção superior .....................................................
178
Figura 4.15 – tensão (kPa) versus coeficiente de adensamento (C
v
) – mistura tipo
SCB percolada por H
2
SO
4
, porção inferior ......................................................
179
Figura 4.16 – Comparativo entre os resultados dos ensaios de adensamento das
amostras percoladas por H
2
O, NaOH e H
2
SO
4
- tensão x índice de vazios ......
179
Figura 4.17 – tempo (h) x k (m/s) da mistura SB permeada por água destilada (H
2
O) 182
Figura 4.18 – tempo (h) x pH da mistura SB percolada por água destilada (H
2
O) ........ 182
Figura 4.19 – tempo (h) x k (m/s) da mistura SB permeada por água (H
2
O) e soda
cáustica (NaOH)................................................................................................
183
Figura 4.20 – tempo (h) x pH da mistura SB permeada por água (H
2
O) e soda
cáustica (NaOH) ...............................................................................................
184
Figura 4.21 – tempo (h) x k (m/s) da mistura SB permeada por água (H
2
O) e ácido
sulfúrico (H
2
SO
4
) .............................................................................................
184
Figura 4.22 – tempo (h) x pH da mistura SB permeada por água (H
2
O) e ácido
sulfúrico (H
2
SO
4
) .............................................................................................
185
Figura 5.1 – Tempo versus variação de temperatura ...................................................... 191
Figura 5.2 – Difratograma do cimento CP V ARI hidratado – teor de umidade = 30%
- Relação água/cimento: 0,3
...............................................................................
196
Figura 5.3– Difratograma do cimento CP V ARI hidratado - teor de umidade = 400%
- Relação água/cimento: 4 ................................................................................
197
Figura 5.4 – Difratograma do cimento CP V ARI contaminado com H
2
SO
4
- teor de
umidade = 400% - Relação água/cimento: 4 ....................................................
197
Figura 5.5 – Difratograma do cimento CP V ARI contaminado com NaOH - teor de
umidade = 400% - Relação água/cimento: 4 ...................................................
198
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
20
20
Figura 5.6 – Difratograma do cimento CP V ARI numa mistura do tipo SCB sem
contaminação - teor de umidade = 100% - Relação água/cimento: 4 ..............
198
Figura 5.7 – Resultado de ATD do cimento hidratado – idade: 7 dias – Relação
água/cimento = 4 – teor de umidade = 400% ...................................................
199
Figura 5.8 – Resultado de ATD do cimento contaminado por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
)
– idade: 7 dias – Relação água/cimento = 4 – teor de umidade = 400% ..........
200
Figura 5.9 – Resultado de ATD do cimento contaminado por soda cáustica (NaOH) –
idade: 7 dias – Relação água/cimento = 4 – teor de umidade = 400% .............
200
Figura 5.10 - SEM do cimento CP V ARI in natura ampliada (a) 200 vezes; (b) 1500
vezes. ................................................................................................................
202
Figura 5.11 – Influência da relação aluminato/sulfato da fase aquosa nas
características de pega de pastas de cimento Portland (F.W. Locher et. al.
apud. Mehta & Monteiro, 1994) .......................................................................
203
Figura 5.12 – SEM do Cimento CP V ARI hidratado, na forma de pó, teor de
umidade igual a 30%, relação água/cimento = 0,3 (a) ampliada 600 vezes;
(b) ampliada 3000 vezes. ..................................................................................
203
Figura 5.13 – SEM do Cimento CP V ARI hidratado, na forma de pó, teor de
umidade igual a 400%, relação água/cimento = 4. (a) ampliada 600 vezes;
(b) ampliada 3000 vezes....................................................................................
204
Figura 5.14 – SEM do Cimento CP V ARI contaminado por H
2
SO
4
, teor de umidade
igual a 100%, relação água/cimento = 1. (a) ampliada 600 vezes; (b)
ampliada 3000 vezes. ........................................................................................
205
Figura 5.15 – SEM do Cimento CP V ARI contaminado por NaOH, teor de umidade
igual a 100%, relação água/cimento = 1. (a) ampliada 600 vezes; (b)
ampliada 3000 vezes..........................................................................................
205
Figura 5.16 – SEM do Cimento CP V ARI contaminado, na forma de pó - teor de
umidade igual a 400%, relação água/cimento = 4, ampliação 3000 vezes.
(a) H
2
SO
4
– ácido sulfúrico; (b) NaOH – soda cáustica ...................................
206
Figura 5.17 - CP V ARI hidratado, teor de umidade igual a 30%, relação
água/cimento = 0,3; (a) SEM; (b) EDS ............................................................
208
Figura 5.18 - Cimento CP V ARI hidratado, teor de umidade igual a 400%, relação
água/cimento = 4; (a) SEM; (b) EDS ...............................................................
209
Figura 5.19 – Cimento CP V ARI contaminado por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
), na forma
de pó - teor de umidade igual a 400%, relação água/cimento = 4, ampliação
3000 vezes. (a) SEM; (b) EDS .........................................................................
210
Figura 5.20 – Cimento CP V ARI contaminado por soda cáustica (NaOH), na forma
de pó - teor de umidade igual a 400%, relação água/cimento = 4, ampliação
3000 vezes. (a) SEM; (b) EDS .........................................................................
211
Figura 5.21 – amostra de cimento hidratado por 7 dias, teor de umidade igual a 400%
e relação água/cimento = 4 – Tipo A - (a) TEM, ampliada 50.000 vezes; (b)
EDS da amostra. ...............................................................................................
214
21
Figura 5.22 – amostra de cimento hidratado por 7 dias, teor de umidade igual a 400%
e relação água/cimento = 4 – Tipo B. (a) TEM - ampliada 15.000 vezes; (b)
TEM - ampliada 40.000 vezes ..........................................................................
215
Figura 5.23 – amostra de cimento hidratado por 7 dias, teor de umidade igual a 400%
e relação água/cimento = 4 – Tipo B. EDS da amostra. ...................................
216
Figura 5.24 – amostra de cimento contaminado por H
2
SO
4
– idade: 7 dias - teor de
umidade igual a 400% - Relação água/cimento = 4 – Tipo A - (a) TEM,
ampliada 12.000 vezes; (b) EDS da amostra. ...................................................
217
Figura 5.25 – amostra de cimento contaminado por H
2
SO
4
– idade: 7 dias - teor de
umidade igual a 400% - Relação água/cimento = 4 – Tipo B - (a) TEM,
ampliada 40.000 vezes; (b) EDS da amostra. ...................................................
218
Figura 5.26 – amostra de cimento contaminado por NaOH – idade: 7 dias - teor de
umidade igual a 400% - Relação água/cimento = 4 – Tipo A - (a) TEM,
ampliada 6.000 vezes; (b) EDS da amostra. .....................................................
219
Figura 5.27 – amostra de cimento contaminado por NaOH – idade: 7 dias - teor de
umidade igual a 400% - Relação água/cimento = 4 – Tipo B - (a) TEM,
ampliada 15.000 vezes; (b) EDS da amostra. ...................................................
220
Figura 5.28 – amostra de cimento contaminado por NaOH – idade: 7 dias - teor de
umidade igual a 400% - Relação água/cimento = 4 – Tipo B - (a) TEM,
ampliada 12.000 vezes; (b) EDS da amostra. ...................................................
221
Figura 5.29 - Resultado dos Ensaios de Determinação de Granulometria (Coulter) -
Evolução do diâmetro da bentonita hidratada por 12 dias................................
223
Figura 5.30 - Resultado dos ensaios de determinação de granulometria (Coulter) -
Evolução do diâmetro da bentonita - Hidratação e contaminação por NaOH .
223
Figura 5.31 - Resultado dos Ensaios de Determinação de Granulometria (Coulter) -
Evolução do diâmetro da bentonita - Contaminação por NaOH ......................
224
Figura 5.32 - Resultado dos ensaios de determinação de granulometria (Coulter) -
Evolução do diâmetro da bentonita - Hidratação e contaminação por H
2
SO
4 ...
225
Figura 5.33 - Resultado dos ensaios de determinação de granulometria (Coulter) -
Evolução do diâmetro da bentonita - Contaminação por H
2
SO
4
.......................
225
Figura 5.34 - Resultado dos ensaios de determinação de granulometria (Coulter) -
Evolução do diâmetro da bentonita com e sem contaminação aos 6 dias.........
226
Figura 5.35 - Resultado dos ensaios de determinação de granulometria (Coulter) -
Evolução do diâmetro da bentonita com e sem contaminação aos 9 dias ........
226
Figura 5.36 - Resultado dos ensaios de determinação de granulometria (Coulter) -
Evolução do diâmetro da bentonita com e sem contaminação aos 12 dias ......
227
Figura 5.37 - Difratometria da Bentonita Sódica in Natura ........................................... 230
Figura 5.38 – Difratograma – Bentonita sódica hidratada por 11 dias ........................... 228
Figura 5.39 - Difratograma – Comparativo: bentonita sódica - in natura x hidratada
por 11 dias ........................................................................................................
230
Figura 5.40 - Difratograma - Bentonita sódica contaminada por H
2
SO
4
........................
231
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
22
22
Figura 5.41 - Difratograma - Bentonita sódica contaminada por NaOH......................... 232
Figura 5.42 – Partícula de bentonita – hidratada 19 dias – Tipo A (a) TEM -
ampliação 300.000 vezes (b) EDS ....................................................................
234
Figura 5.43 – Partícula de bentonita – contaminada por H
2
SO
4
- 19 dias pós-
contaminação – amostra Ha - (a) TEM - ampliação 70.000 vezes (b) EDS ....
235
Figura 5.44 – Partícula de bentonita – contaminada por H
2
SO
4
- 9 dias pós-
contaminação – amostra Hb - (a) TEM – ampliação 300.000 vezes (b) EDS.
236
Figura 5.45 – Partícula de Bentonita – contaminada por H
2
SO
4
- 19 dias pós-
contaminação – amostra Hc - (a) TEM – ampliação 80.000 vezes (b) EDS ....
237
Figura 5.46 – Partícula de Bentonita – contaminada por NaOH - 19 dias pós-
contaminação – amostra Na (a) TEM - ampliação 80.000 vezes (b) EDS .......
238
Figura 5.47 – Bentonita sódica in natura - (a) SEM - ampliação 1500 vezes (b) EDS
da amostra .........................................................................................................
239
Figura 5.48 – Bentonita sódica após 11 dias de hidratação (a) SEM - ampliação
25000 vezes (b) EDS ........................................................................................
240
Figura 5.49 – Bentonita sódica in natura (a) ampliada 200 vezes; (b) ampliada 400
vezes; (c) ampliada 1500 vezes; (d) ampliada 3000 vezes................................
243
Figura 5.50 – Bentonita sódica pós 5 dias de hidratação sob lamela de vidro (a)
ampliada 3000 vezes; (b) 15000 vezes .............................................................
244
Figura 5.51 – Microscopia Eletrônica de Varredura de uma amostra de Bentonita
sódica hidratada. (a) por 6 dias, ampliada 30.000 vezes (b) por 11 dias,
ampliada 25.000 vezes. ....................................................................................
244
Figura 5.52 – Bentonita sódica pós 7 dias contaminação por H
2
SO
4
(a) fragmento
ampliado 400 vezes; (b) fragmento ampliado 3000 vezes; (c) amostra sob
lâmina de vidro ampliada 3000 vezes. .............................................................
245
Figura 5.53- Bentonita sódica pós 1 dia de contaminação por NaOH (sob lamela de
vidro); (a) ampliada 3000 vezes (b) ampliada 15.000 vezes ............................
245
Figura 5.54 - Bentonita sódica pós 7 dias de contaminação por NaOH (a) ampliada
400 vezes; (b) ampliada 3500 vezes. ................................................................
246
Figura 5.55 - Bentonita sódica pós 7 dias de contaminação por NaOH (sob lamela de
vidro) ampliada 15.000 vezes ...........................................................................
246
Figura 5.56 – ATD de uma amostra de bentonita sódica hidratada – idade 7 dias......... 247
Figura 5.57 – ATD de uma amostra de bentonita contaminada por ácido sulfúrico –
idade 7 dias .......................................................................................................
247
Figura 5.58 – ATD da bentonita sódica contaminada por soda cáustica (NaOH) –
idade 7 dias .......................................................................................................
248
Figura 5.59 – Resultado dos ensaios de Reologia – Hidratação da bentonita ................ 249
Figura 5.60 – Resultado dos ensaios de Reologia - Bentonita contaminada por H
2
SO
4
250
Figura 5.61 – Resultado dos ensaios de Reologia - Bentonita contaminada por NaOH. 251
23
Figura 5.62 - Evolução dos pHs das frações de SRAB em solução aquosa (H
2
O),
ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH) .............................................
253
Figura 5.63 - Difratograma do SRAB sem contaminação............................................... 254
Figura 5.64 - Difratograma da fração argila do SRAB sem contaminação,
contaminada por NaOH e por H
2
SO
4
...............................................................
254
Figura 5.65 - Difratograma da fração Silte do SRAB sem contaminação, contaminada
por H
2
SO
4
e por NaOH .....................................................................................
255
Figura 5.66 - Difratograma da fração arenosa do SRAB sem contaminação,
contaminado por H
2
SO
4
e por NaOH ...............................................................
255
Figura 5.67 - Fração argilosa do solo arenito Botucatu sem contaminação - (a) TEM -
ampliação 7.000 vezes (b) EDS ........................................................................
257
Figura 5.68 – Fração argilosa do solo arenito Botucatu contaminada por H
2
SO
4
- Tipo
A (a) TEM - ampliação 20.000 vezes (b) EDS ................................................
258
Figura 5.69 – Fração argilosa do solo arenito Botucatu contaminada por H
2
SO
4
- Tipo
B - (a) TEM - ampliação 30.000 vezes (b) EDS ..............................................
259
Figura 5.70 - Fração argilosa do solo arenito Botucatu contaminada por H
2
SO
4
- Tipo
C - (a) TEM – ampliação 20.000 vezes (b) EDS ..............................................
260
Figura 5.71 – Fração argilosa do solo arenito Botucatu contaminada por NaOH - Tipo
A. (a) TEM - ampliação 15.000 vezes (b) EDS ...............................................
261
Figura 5.72 – Fração argilosa do solo arenito Botucatu contaminada por NaOH - Tipo
B - (a) TEM - ampliação 60.000 vezes (b) EDS ..............................................
262
Figura 5.73 – Fração arenosa-porção retida 500 µm – sem contaminação – (a) SEM -
ampliação 50 vezes (b) EDS .............................................................................
263
Figura 5.74 – Fração arenosa - porção retida 500 µm – contaminada por H
2
SO
4
–
idade: 7 dias – (a) SEM - ampliação 600 vezes (b) EDS .................................
264
Figura 5.75 – Fração arenosa-porção retida 500 µm – contaminada por NaOH –
idade: 7 dias – (a) SEM - ampliação 600 vezes (b) EDS .................................
265
Figura 5.76 – Fração silte-porção retida 75 µm – sem contaminação – (a) SEM -
ampliação 400 vezes; (b) EDS .........................................................................
266
Figura 5.77 – Fração silte - porção retida 75 µm – contaminada por H
2
SO
4
– idade: 7
dias - (a) SEM - ampliação 600 vezes; (b) EDS................................................
267
Figura 5.78 – Fração silte – porção retida 75 µm – contaminada por NaOH – idade: 7
dias - (a) SEM - ampliação 600 vezes; (b) EDS ...............................................
268
Figura 5.79 – SEM da fração argilosa do SRAB sem contaminação. (a) ampliada 600
vezes; (b) ampliada 3000 vezes. .......................................................................
270
Figura 5.80 – SEM da fração argilosa do SRBA ampliada 3000 vezes. (a)
contaminada por NaOH, 5%; (b) contaminada por H
2
SO
4
, 5%.......................
270
Figura 5.81 – SEM da fração silte do SRAB ampliada 600 vezes - (a) sem
contaminação; (b) contaminada por NaOH, 5%; (c) contaminada por H
2
SO
4
,
5%......................................................................................................................
271
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
24
24
Figura 5.82 – SEM da fração arenosa do SRAB sem contaminação ampliada 300
vezes. ................................................................................................................
272
Figura 5.83 – SEM da fração arenosa do Solo Residual Arenoso Botucatu ampliada
50 vezes (a) sem contaminação; (b) contaminada por NaOH, 5%; (c)
contaminada por H
2
SO
4
, 5%.............................................................................
272
Figura 5.84 – SEM da fração arenosa do SRAB ampliada 600 vezes – (a)
contaminada por NaOH, 5%; (b) contaminada por H
2
SO
4
, 5%........................
273
Figura 5.85 - Distribuição Granulométrica da fração argilosa do SRAB (Coulter) ....... 274
Figura 6.1 - Difratograma da mistura SCB permeada por H
2
SO
4
................................... 276
Figura 6.2 - Difratograma da mistura SCB permeada por NaOH................................... 276
Figura 6.3 - Difratograma da mistura SCB permeada por H
2
O, H
2
SO
4
e NaOH .......... 277
Figura 6.4 – SEM - Mistura do tipo SCB sem percolação. a) ampliada 400 vezes; c)
ampliada 3000 vezes..........................................................................................
278
Figura 6.5 – SEM - Mistura do tipo SCB permeada por H
2
O. a) porção superior
ampliada 600 vezes; b) porção superior ampliada 3000 vezes; c) porção
inferior ampliada 15000 vezes..........................................................................
278
Figura 6.6 – SEM - Mistura do tipo SCB permeada por NaOH ampliada 400 vezes-
a)amostra localizada junto à pedra porosa; b)amostra localizada na base do
cilindro; c)amostra localizada na parte superior do cilindro.............................
279
Figura 6.7 – SEM - Mistura do tipo SCB permeada por NaOH ampliada 3000 vezes-
a)porção inferior; b)amostra localizada junto a pedra porosa...........................
280
Figura 6.8 - Figura 6.8 - Porções da camada intermediária encontrada na mistura tipo
SCB pós-percolação por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
). a) partes do cilindro
moldado para ensaio de RCS; b) fragmento extraído da amostra.....................
280
Figura 6.9 – SEM - Mistura do tipo SCB percolada por H
2
SO
4
– ampliação: 400
vezes - a)porção inferior; b) porção superior; c)camada intermediária entre
as porções. ........................................................................................................
281
Figura 6.10 – SEM - Mistura do tipo SCB, percolada por H
2
SO
4
– ampliação: 3000
vezes - (a) porção inferior; (b) porção inferior; (c) porção superior; (d)
camada intermediária entre as porções..............................................................
282
Figura 6.11 - Difratograma da mistura SB percolada por soda cáustica (NaOH) .......... 285
Figura 6.12 – Difratograma da mistura SB percolada por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) ...... 285
Figura 6.13 - Difratograma comparativo da mistura SB percolada por H
2
O, NaOH e
H
2
SO
4
................................................................................................................
286
Figura 6.14 – SEM - Mistura do tipo SB sem permeação. a) ampliada 400 vezes; b)
ampliada 400 vezes; c) d) ampliadas 3000 vezes..............................................
287
Figura 6.15 – SEM - Mistura do tipo SB percolada por água destilada (H
2
O). a)
ampliada 600 vezes; b) 3000 vezes. .................................................................
288
Figura 6.16 – SEM - Mistura do tipo SB percolada por soda cáustica (NaOH); a)
fração inferior ampliada 600 vezes; b) fração inferior ampliada 3000 vezes;
c) fração média ampliada 600 vezes; d) fração média ampliada 3000 vezes....
289
25
Figura 6.17 – SEM - Mistura do tipo SB percolada por ácido sulfúrico a) fração
inferior ampliada 400 vezes; b) fração inferior ampliada 600 vezes; b) fração
inferior ampliada 3000 vezes; c) fração média ampliada 400 vezes; d) fração
média ampliada 3000 vezes ..............................................................................
289
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Dosagem de materiais aplicados em misturas de solo-cimento-bentonita
47
Tabela 2.2 – Técnicas adequadas para análise micro-estrutural ................................... 71
Tabela 2.3 – Composição do Cimento CP V-ARI ........................................................ 75
Tabela 2.4 – Compostos principais do cimento Portland .............................................. 75
Tabela 2.5 - Variação do coeficiente de condutividade hidráulica (Adaptado de
Pavilonsky, 1985) ............................................................................................
103
Tabela 2.6 – Resumo dos ensaios de condutividade hidráulica (Adaptado de Lentz et
al., 1985). .........................................................................................................
104
Tabela 3.1 – Ensaios de Caracterização da Bentonita Sódica e do SRAB* .................. 112
Tabela 3.2 – Dosagem dos materiais ............................................................................. 113
Tabela 3.3 – Parâmetros para implementação dos Ensaios de Condutividade
Hidráulica ........................................................................................................
127
Tabela 3.4 – Características das Amostras retiradas do Permeâmetro de Parede
Rígida com Carga Constante ...........................................................................
133
Tabela 3.5 – Resumo de análises químicas das matérias-primas .................................. 138
Tabela 3.6 – Quantidade de matérias-primas nas misturas com cimento ..................... 140
Tabela 3.7 – Características das porções extraídas de placas de cimento para análise
por DRX ..........................................................................................................
143
Tabela 3.8 – Amostras de bentonita sódica e análises executadas ................................ 149
Tabela 3.9 – Massa específica e resistência mecânica à compressão simples do
cimento CP V - ARI. .......................................................................................
155
Tabela 3.10 – Propriedades Químicas da Bentonita Sódica utilizada ........................... 157
Tabela 3.11 – Índices físicos da bentonita sódica ......................................................... 157
Tabela 3.12 - Índices físicos do SRAB ......................................................................... 161
Tabela 3.13 – Propriedades físico-químicas e mineralógicas do SRAB (Núñez, 1991) 161
Tabela 3.14 – Propriedades físico-químicas da soda cáustica (NaOH) ........................ 162
Tabela 3.15 – Propriedades físico-químicas do ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) ..................... 163
Tabela 4.1 – Resumo dos resultados obtidos nos Ensaios de Condutividade
Hidráulica utilizando a mistura SCB ...............................................................
170
Tabela 4.2 – Resultados dos ensaios de RCS com CPs de SCB ................................... 171
Tabela 4.3 – Ensaio de Adensamento - Síntese dos resultados - Misturas tipo SCB
percoladas por H
2
O, NaOH e H
2
SO
4
..............................................................
181
Tabela 5.1 – Evolução da temperatura de pega do cimento nas primeiras 24 horas
quando misturado com água (w), H2SO4 e NaOH ........................................
188
Tabela 5.2 – Análise das curvas - temperatura versus tempo - Estudo da evolução do
tempo de cura do cimento portland, tipo CP V ARI........................................
192
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
32
Tabela 5.3 – Índice de inibição ......................................................................................
194
Tabela 5.4 – Amostras de Cimento CP – V ARI – Resultados de EDS - Microscópio
Eletrônico de Transmissão - Razão Mg/Ca, Al/Ca, Fe/Ca, Si/Ca, S/Ca,
Na/Ca, K/Ca e Ti/Ca .......................................................................................
213
Tabela 5.6 – Resumo – Evolução da variação granulométrica da bentonita sódica ......
228
Tabela 5.7 – Amostras de Bentonita sódica – Resultados de EDS – Razão Fe/Al,
Na/Al, Mg/Al, Si/Al, Ca/Al, Ti/Al, K/Al, e S/Al ............................................
241
Tabela 5.8 – Evolução do pH das frações de SRAB em solução aquosa (H
2
O), ácido
sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH) .....................................................
252
Tabela 5.9 – Resultado EDS das frações de SRAB .......................................................
269
Tabela 5.10 – Propriedades Físicas do SRAB ............................................................... 274
Tabela 6.1 – Amostras de misturas do tipo SCB percoladas por ácido sulfúrico –
Resultados de EDS – Razão Fe/S, Mg/S, Al/S, Si/S, e Ca/S ..........................
282
Tabela 6.2 – Resultado da análise do lixiviado de H
2
SO
4
e NaOH por
Espectrofotometria de Absorção Atômica ......................................................
283
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
33
ABREVIATURAS
ATD: Análise Térmica Diferencial (Diferencial Thermal Analysis – DTA)
ATG: Análise Térmica Gravimétrica (Thermal Gravimetric Analysis - TGA)
CP: Corpo de prova
CP V-ARI: Cimento Portland de Alta Resistência Inicial
DRX: Difração de Raios-X (X-ray diffraction)
EDS: Análise Química Elementar Quantitativa (energy dispersive spectrometer)
ppm: partes por milhão ( unidade de concentração utilizada para soluções)
RCS: Resistência à Compressão Simples
SB: Solo-Bentonita
SCB: Solo-Cimento-Bentonita
SEM: Microscopia Eletrônica de Varredura (Scanning Electronic Microscopy)
SRAB: Solo Residual de Arenito da Formação Botucatu
TEM: Microscopia Eletrônica de Transmissão (Transmission Electronic Microscopy)
UV: ultra-violeta
SIGLAS
ABAS: Associação Brasileira de Águas Subterrâneas
ABCP: Associação Brasileira de Cimento Portland
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM: American Society for Testing and Material
CAPES: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
CEFET–PR: Centro Federal de Ensino Técnico do Paraná
CICECO: Centro de Investigação em Materiais Cerâmicos e Compósitos (Universidade de
Aveiro: Portugal)
CNPQ: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
34
COULTER: equipamento analisador de tamanhos das partículas
ENVIRONGEO: Laboratório de Resíduos, Novos Materiais e Geotecnia Ambiental
EPA: Environmental Protection Agency
NBR: Norma Brasileira
PPGEC: Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil
PT: Portugal
UNB – Universidade Federal de Brasília
UCG: Universidade Católica de Goiás
UCPEL: Universidade Católica de Pelotas
UFBA: Universidade Federal da Bahia
UFMG: Universidade Federal de Minas Gerais
UFPEL: Universidade Federal de Pelotas
UFRGS: Universidade Federal do Rio Grande do Sul
UFRN: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
UFSC: Universidade Federal de Santa Catarina
UK: Reino Unido (United Kingdom)
UNICAMP: Universidade de Campinas
UNISINOS: Universidade do Vale do Rio dos Sinos
USP: Universidade de São Paulo
SÍMBOLOS
a/c: água/cimento
C
: CO
2
φ: Diâmetro
ρ: Massa específica do solo
ρ
df
: densidade seca final em kg/m3
S
: SO
3
A: Al
2
O
3
AFm: Fase que designa genericamente os compostos alumina-óxido de ferro-monosulfato.
AFt: Fase que designa genericamente os compostos alumina-óxido de ferro-trissulfato
americana (threshold limit value)
C: CaO
D: Diâmetro
D
50
: Diâmetro Médio dos grãos
e: índice de vazios
F: Fe
2
O
3
Gs: Peso específico dos grãos
h: Altura
H: H
2
O
H
2
O: Água
H
2
SO
4:
Ácido Sulfúrico
i: Gradiente Hidráulico
I: Índice de Inibição
IP: Índice de Plasticidade
k: Coeficiente de Condutividade Hidráulica
K: K
2
O
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
32
kN: kilonewton
L/D: Razão Altura/ Diâmetro
L: Comprimento
L: LiO
LL: Limite de Liquidez
LP: Limite de Plasticidade
M: MgO
mm: milímetros
N: Na
2
O
n: porosidade
NaOH: Hidróxido de Sódio (Soda Cáustica)
NBR: Norma Brasileira
NPV: Volume de vazios no final do ensaio
P: P
2
O
5
RT: fator para correção da viscosidade da água de acordo com a temperatura medida no
momento da leitura feita no permeâmetro
S: SiO
2
Smax: Declive máximo da curva Temperatura versus Tempo
T: Temperatura
t: Tempo
T: TiO
2
TLV-C-USA: Valor Limite de tolerância para determinado poluente especificado pela norma
Tmax: Temperatura máxima atingida
tmax: Tempo necessário para atingir a temperatura máxima de hidratação do cimento
V: Volume
W: Teor de Umidade em porcentagem
1. INTRODUÇÃO
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
A partir do século XIX, a indústria passou a ocupar posição de destaque na economia. O
desenvolvimento das atividades industriais acarretou várias conseqüências no que se refere ao
ecossistema, às relações sociais e políticas, entre outras. O progresso trouxe consigo a
expansão das cidades, o crescimento da população, e, na atualidade, a globalização fez com
que a produção em série fosse ainda mais incrementada, visto que a partir daí a indústria visou
obter produtos de baixo custo e mais competitivos no mercado local e internacional.Para
alcançar este objetivo, novas fontes de energia passaram a ser utilizadas e, com o incremento
da produção, houve uma maior geração de resíduos industriais. Na atualidade, determinados
combustíveis e algumas matérias-primas como ácidos e derivados de petróleo têm sido
canalizados desde a fonte de produção ou de beneficiamento até a indústria. Estas
canalizações, em alguns locais, não são executadas com a segurança necessária, ocasionando
vazamentos como pôde ser verificado no acidente ecológico ocorrido numa tubulação usada
no transporte de lama com soda cáustica para um aterro industrial da Companhia Brasileira de
Alumínio (CBA), do grupo Votorantin. Com a ruptura das tubulações, os resíduos atingiram
três casas, na cidade de Alumínio, a 78 quilômetros de São Paulo (Jornal Estadão – SP, 2004).
A absorção destas substâncias contaminantes pelo solo causa ao mesmo comportamento
diferenciado no que se refere às suas propriedades físicas e seu desempenho, mecânico e
hidráulico. Estas mudanças podem gerar colapso nas estruturas de fundação nele edificadas e,
no caso de tais substâncias serem dispostas em aterros sanitários, influenciar as propriedades
dos materiais utilizados nos liners impermeáveis. Órgãos governamentais têm legislado,
preocupados com a proteção do meio-ambiente e a preservação dos bens naturais, todavia, os
desastres ecológicos têm ocorrido, muitos deles acarretando entre outros malefícios a
contaminação do lençol freático e patologias nas estruturas de fundação.
Uma das soluções encontradas para impedir a disseminação de contaminantes são as barreiras
verticais de contenção de contaminantes, em que misturas de solo-cimento-bentonita são
utilizadas com o objetivo de evitar a contaminação do lençol freático ou de áreas específicas.
Desde a década de 40, estas barreiras, ou slurry walls, têm sido empregadas em situações de
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
32
confinamento do lençol freático. A partir dos anos 70, elas começaram a ser aplicadas na
Engenharia Ambiental com o mesmo fim. É uma técnica que tem sido largamente utilizada na
Europa e Estados Unidos, devido a sua rápida execução e baixos custos. No Brasil esta
técnica começou a ser recentemente empregada, ainda não possuindo tecnologia nacional
capacitada para a sua corrente aplicação. Todavia, há disponibilidade das matérias-primas
essenciais ao desenvolvimento dessa tecnologia que são a bentonita sódica e o cimento de alta
resistência inicial, produzido no Brasil com alto padrão de qualidade.
1.2 PROBLEMA DE PESQUISA
O presente estudo trata do efeito da percolação de líquidos contaminantes ácidos e alcalinos
na estrutura, condutividade hidráulica e resistência de solos residuais com adições de
bentonita sódica e cimento considerando a análise das propriedades das misturas solo-
cimento-bentonita devido à ação de contaminantes, essencial a explicação da alteração dos
resultados de condutividade hidráulica.
1.3 RELEVÂNCIA E JUSTIFICATIVA DO TRABALHO
Esta pesquisa, de caráter multidisciplinar, busca com base nos recursos científicos e
tecnológicos, estudar novos materiais a serem utilizados em barreiras hidráulicas para a
contenção de contaminantes utilizando um solo característico da região sul do Brasil e outros
materiais disponíveis no mercado.
O foco da pesquisa é o estudo de materiais para serem utilizados em barreiras de solo-
cimento-bentonita. Apesar de ser um método consagrado na engenharia geotécnica e
ambiental, existem poucos dados publicados em literatura abrangendo, simultaneamente, as
propriedades químicas, hidráulicas e mecânicas dos materiais componentes da barreira.
O fato de esta técnica ser recentemente empregada no Brasil confere à pesquisa caráter
inovador, gerador de novas tecnologias no ramo da engenharia geotécnica. Tem-se referência
(Cotidiano - São Paulo, 2005; Vale Verde, 2006; ABAS, 2006; Panorama Ambiental, 2005)
que, São Paulo é o principal Estado brasileiro que adota tal forma de remediação, acredita-se
ser pelo fato de possuir um pólo industrial gerador de uma grande variedade de resíduos
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
33
tóxicos que implicou na necessidade da criação, pelo governo estadual, de uma Secretaria
específica para fiscalização dessas Empresas no que se refere a geração de resíduos – a
Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (Cetesb) na década de 80.
A condutividade hidráulica é a principal preocupação no projeto das barreiras de contenção,
entretanto, existem outros parâmetros de igual importância para o projeto de Engenharia, tais
como a resistência, o custo e os métodos construtivos utilizados. Infelizmente, nas barreiras
em que o cimento é um dos materiais utilizados, um ganho de resistência implica num
aumento de condutividade hidráulica em conseqüência da presença deste material. Por isso a
seleção do material para a composição da barreira é essencial.
Os contaminantes que serão utilizados na pesquisa, soda cáustica (NaOH) e ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
), têm inúmeras aplicações na indústria. No que se refere à soda cáustica, a mesma é
utilizada: a) nas indústrias eletrônica, farmacêutica, fotográfica, alimentos, tintas e corantes;
b) na indústria de bebidas para lavagem de frascos; c) no tratamento de celulose e d) como
matéria prima para refratários entre outras. Já o ácido sulfúrico é utilizado: a) na refinação de
petróleo e seus derivados; b) na hidrólise da madeira para produção de açúcares e álcool
etílico; c) na fabricação de adubos: Superfosfato e Sulfato de Amônia; d) como agente de
vulcanização na indústria da borracha e d) em galvanoplastia entre outros.
A avaliação das mudanças estruturais no novo material geotécnico foi realizada. Ensaios de
Microscopia Eletrônica de Varredura, Difratometria de Raios-X, Reologia e Microscopia
Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução forneceram dados que permitiram conhecer a
microestrutura das mistura e das matérias-primas bem como, as estruturas cristalográficas das
mesmas.
Este trabalho vem colaborar para um grande avanço técnico e científico na área de Geotecnia
Ambiental graças à parceria entre UFRGS, Universidade de Aveiro e CAPES, visto que
tornou possível, com a análise dos resultados de microscopia de alta resolução e
espectrômetros, conhecer o comportamento da bentonita sódica adicionada a um solo
nacional, ou ainda, os dois misturados ao cimento, com vistas à utilização em barreiras de
contenção à contaminação por soda cáustica ou ácido sulfúrico.
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
34
1.4 A HIPÓTESE A SER TESTADA
A mistura de bentonita, cimento e solo residual local constitui uma solução técnica viável para
utilização em barreiras de contenção de contaminantes.
1.5 OBJETIVOS CIENTÍFICOS E TÉCNICOS
1.5.1 Objetivos Gerais
São objetivos gerais desse Trabalho de Pesquisa:
a) avaliar a viabilidade técnica da utilização de barreiras de bentonita sódica e
cimento buscando impedir a contaminação do lençol freático e o
comprometimento das estruturas de fundação situadas em solos contaminados;
b) estudar o comportamento físico e mecânico de um solo contaminado por
substâncias agressivas através de simulações com substâncias tipicamente
alcalinas (soda cáustica) e de baixo pH (ácido sulfúrico).
1.5.2 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos desta pesquisa foram estabelecidos buscando comprovar a hipótese
formulada no item 1.1.3, são eles:
a) desenvolver um equipamento capaz de medir a condutividade hidráulica de
misturas compostas por solo/cimento, tornando possível o conhecimento do
comportamento das barreiras hidráulicas contaminadas por substâncias perigosas;
b) avaliar a condutividade hidráulica devido à percolação de substâncias em
condições de extrema acidez e alcalinidade pela comparação com o solo natural;
c) avaliar o comportamento mecânico (em termos de resistência e
deformabilidade) do solo alterado;
d) analisar a modificação da microestrutura do solo devido à ação de
contaminantes.
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
35
1.6 ORGANIZAÇÃO DA TESE
Esta tese está dividida em oito capítulos, iniciando com o capítulo introdutório (Capítulo 1),
seguido do Capítulo 2, onde é apresentada uma revisão da literatura existente compreendendo
os tópicos referentes aos principais assuntos abordados nesta tese.
O programa de pesquisa é apresentado no Capítulo 3, onde são detalhados todos os tipos de
ensaios realizados, bem como as variáveis investigadas em cada fase do trabalho. São
apresentados e caracterizados os materiais utilizados na pesquisa, os métodos utilizados na
realização de cada tipo de ensaio e também a descrição dos equipamentos utilizados na
realização do programa experimental.
Os resultados e análise estão divididos em três capítulos:
No capítulo 4 são apresentados os resultados relativos ao comportamento hidráulico das
misturas solo/bentonita e solo/cimento/bentonita - os ensaios de condutividade hidráulica.
Apresenta-se a avaliação da condutividade hidráulica na percolação de água e sob ação dos
contaminantes. Também, tem-se nesse capítulo, o resultado referente ao comportamento
mecânico das mesmas, a partir de ensaios de adensamento e compressão simples.
O capítulo 5 contém os resultados das propriedades químicas estudadas de cada um dos
materiais envolvidos bem como a avaliação da atividade desempenhada por cada um, e sua
influência na eficiência ou não da mistura quando contaminada.
No capítulo 6 são apresentadas as análises químicas realizadas a partir das amostras de
solo/bentonita e solo/cimento/bentonita com e sem contaminação que permitiram ainda, o
conhecimento da microestrutura e da constituição mineralógica das mesmas e a correlação
com o desempenho hidráulico e mecânico.
São apresentadas no capítulo 7, a conclusão do trabalho referente à utilização das misturas
estudas, para material de preenchimento nas barreiras hidráulicas sob contaminação de ácido
sulfúrico e soda cáustica e suas principais características, Na segunda parte do mesmo são
sugeridos trabalhos futuros relativos ao assunto pesquisado.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Este capítulo tem por finalidade reunir conhecimentos relacionados:
a) à tecnologia estudada no que se refere à execução das barreiras hidráulicas
verticais;
b) a estudos científicos já realizados na área da engenharia ambiental, utilizando
cimento Portland e bentonita sódica para construção de barreiras impermeáveis;
c) à constituição físico-química das matérias-primas envolvidas e o
comportamento das mesmas mediante contaminação por substâncias ácidas e
alcalinas;
d) à caracterização dos contaminantes utilizados e os trabalhos científicos relativos
a esta área de estudo;
e) aos métodos que podem ser utilizados para aferir o desempenho desses novos
materiais geotécnicos.
Partindo desses conhecimentos será mais fácil o entendimento das reações químicas que se
processam e o reflexo das mesmas no comportamento mecânico dos novos materiais
geotécnicos que estão sendo desenvolvidos.
2.2 BARREIRAS HIDRÁULICAS VERTICAIS (SLURRY WALLS)
As Slurry Walls, conhecidas no Brasil como paredes de lama, constituem-se barreiras
hidráulicas verticais subterrâneas que podem ser utilizadas para retenção de contaminantes.
2.2.1 Conhecimentos Básicos
Segundo UFBA (2005), as paredes de lama são paredes verticais escavadas e preenchidas
com lama estabilizante, que podem ser preparadas com bentonita e água ou bentonita água e
cimento. A lama forma uma película de baixa condutividade hidráulica (<10
-8
cm/seg) que
promove a estabilização da trincheira escavada. Três tipos de paredes de lama podem ser
usadas para conter e isolar o contaminante: paredes de solo-bentonita, bentonita-cimento e
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
37
paredes compostas, empregando geomembrana no interior da parede conforme mostra a
Figura 2.1. O emprego da parede composta é apropriado onde ocorre alto nível de poluição,
existência de químicos agressivos e migração de gás.
(fonte: UFBA, 2005)
Figura 2.1 –
Tipos de paredes de lama.
(a) solo/bentonita; (b) cimento/bentonita; (c) geomembrana
As paredes de lama são usadas para conter água subterrânea contaminada e isolar
contaminantes. As bio-barreiras necessitam de desenvolvimento de pesquisas
adicionais antes do emprego dessa tecnologia em aplicações práticas. São
largamente usadas no controle da poluição e, especialmente, na migração de gás e
de lixiviados de aterros sanitários e industriais.
A condutividade hidráulica da parede cimento-bentonita dependerá do tempo decorrido após a
mistura ter sido realizada, através da Equação 2.1:
n
o
ot
t
t
kk
−
= Equação 2.1
Onde:
kt e k
o
: coeficiente de condutividade hidráulica no tempo t e t
o
, respectivamente;
n: expoente que varia de 1a 2.
Segundo UFBA (2005), a redução da condutividade hidráulica com o tempo é o resultado da
contínua hidratação do cimento e da reação do cimento-bentonita com água. A figura 2.2
ilustra o comportamento esperado, ao longo do tempo, para a condutividade hidráulica de uma
parede vertical do tipo cimento-bentonita. Neste caso, o fluxo foi originalmente realizado com
geomembrana
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
38
água e posteriormente com sulfato de magnésio, a partir do que se nota um rápido decréscimo
na condutividade hidráulica do sistema.
Condutividade hidráulica, k (cm/s)
Volume da amostra
(fonte: UFBA, 2005)
Figura 2.2 – Volume da amostra x Condutividade Hidráulica x pH
Existem ainda as barreiras verticais reativas. A principal diferença entre barreiras tradicionais
de contenção e barreiras reativas é que nesta última, a condutividade hidráulica deve ser
suficientemente alta para permitir a passagem de água contaminada através da barreira. Sob
condições ideais, a condutividade hidráulica de uma barreira reativa deverá ser igual à
condutividade hidráulica do aqüífero na região, tal que a migração do poluente procederá
através da parede em resposta do gradiente hidráulico do aqüífero. Dessa forma, o transporte
por advecção deverá ser o mais dominante neste tipo de barreira.
A capacidade de atenuação de uma parede de lama de solo-bentonita é determinada pela
capacidade de atenuação dos materiais constituintes da barreira, sendo que a capacidade de
troca de cátions total por metro cúbico da parede de lama pode ser estimada pela Equação 2.2.
CECWCTC
j
i
sid
⋅⋅=
∑
ρ
Equação 2.2
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
39
Onde:
ρ
ρρ
ρ
d
(kg/m
3
): densidade seca do material da parede;
W
si
: (kg): peso dos sólidos do constituinte i por grama de material seco da parede;
CEC (eq/kg): capacidade de troca de cátions do material e
i; j: número total de constituinte da parede; CTC (eq/m
3
).
2.2.2. Construção de Paredes de Lama
O método de construção das paredes de lama consiste basicamente na escavação de um
trecho, normalmente com 0,60 a 1,50 m de largura (barreira subterrânea). As paredes de
escavação são suportadas por uma “lama”, que posteriormente enrijece dentro do trecho ou é
substituída por um material geotécnico (solo) como mostra a Figura 2.3. Essas barreiras
podem ser classificadas de acordo com os seguintes critérios:
a) elas podem ser classificadas como solo-bentonita, cimento-bentonita e solo-
cimento-bentonita, de acordo com o material de preenchimento do trecho
escavado;
b) elas podem ter ou não função estrutural, dependendo das condições da
morfologia e da estratigrafia do local;
c) elas podem estar ou não, em um ambiente agressivo, dependendo das condições
do local.
O material de preenchimento dessas paredes é sempre uma mistura a qual a composição deve
ser definida nas condições de projeto. Nessa mistura, a bentonita sempre está incluída. Este
material pode desempenhar diferentes papéis quando misturado com materiais distintos: em
barreiras de solo-bentonita, contribui para uma granulação adequada do material, em barreiras
de cimento-bentonita, ela agrega as partículas de cimento, evitando a segregação da lama,
inferindo que materiais de preenchimento diferentes implicam em métodos construtivos
diferentes.
A condutividade hidráulica é a principal preocupação no projeto das barreiras de contenção,
entretanto, existem outros parâmetros de igual importância para o projeto de Engenharia, tais
como ganho de resistência, custo e os métodos construtivos utilizados.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
40
(fonte: www.escalera.com/safelevee/slurrywallsac.htm)
Figura 2.3 – Execução de uma barreira hidráulica vertical
2.2.2.1 Barreiras de solo-bentonita (soil-bentonite slurry wall)
As barreiras de solo-bentonita (SB) foram inicialmente desenvolvidas no início dos anos 40
nos Estados Unidos. Com o decorrer dos anos, centenas de barreiras foram construídas para
funcionamento temporário ou permanente para o controle das infiltrações nas escavações
(fundações, aterros) e, principalmente, para evitar as infiltrações de poluentes carregados por
lençóis freáticos contaminados. Nos últimos anos, as slurry walls vem substituindo outros
processos construtivos consagrados de barreiras de contenção devido, essencialmente, a maior
rapidez na construção e ao seu menor custo.
Em locais onde ocorrem resíduos perigosos, as barreiras de solo-bentonita funcionam como
paredes semi-permeáveis com o objetivo de conter o lençol freático contaminado ou
redirecionar o lençol freático de áreas com solos contaminados.
A barreira hidráulica de solo-bentonita é construída pela escavação de um largo trecho,
tipicamente entre 60 e 150 mm, partindo de materiais escaváveis até camadas de materiais
impenetráveis (rochas).
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
41
2.2.2.1.1 Escavação do trecho
A escavação é realizada primeiramente pela porção de maior declividade e, posteriormente,
pela porção de menor inclinação. O trecho é mantido cheio durante toda a escavação com
lama bentonítica (slurry) como mostram as Figuras 2.4 e 2.6. A lama atua estabilizando as
paredes da escavação, o trecho escavado deve ser limpo antes da aplicação da mistura solo-
bentonita (material de preenchimento). As paredes da escavação devem estar na vertical, com
uma deflexão (desvio) de no máximo 2%.
(fonte: Keller Ground Engineering, 2006)
Figura 2.4 – Escavação do trecho
Na seqüência, é escavado o trecho onde o material de preenchimento será colocado. A lama
bentonítica quando lançada para dentro do trecho penetra no interior dos vazios do solo
adjacente por diferença de pressões. Durante esse processo, grupos de partículas sólidas
(colóides) se acumulam dentro dos poros das partículas do solo adjacente formando uma
camada fina na interface da lama bentonítica e o solo, conhecida como filter cake. Logo após,
geralmente depois de alguns segundos, o filter cake é coberto por uma fina camada de
bentonita, também chamada de filme protetor. O processo é ilustrado na Figura 2.5. Nesse
estágio, a barreira está praticamente impermeável e oferece grande resistência à penetração de
líquidos. A pressão lateral exercida pela lama bentonítica no trecho age contra o filter cake,
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
42
estabilizando as paredes da escavação e evitando, assim, o seu colapso (Xanthakos, 1979,
apud. Azambuja, 2004).
(fonte: Xanthakos, 1979)
Figura 2.5 – Formação do filter cake: (a) deposição das partículas
coloidais nos vazios do solo; (b) filtração da lama por diferença de
pressões; (c) formação do filme protetor ao longo da face da escavação.
Quando atingida a profundidade requerida, o material do substrato deve ser checado para
conferir se suas propriedades são as mesmas àquelas previstas em projeto.
O método de escavação utilizado não é importante para a eficiência final da barreira de solo-
bentonita, mas é essencial que a camada impenetrável seja atingida em todo o comprimento
de escavação (Millet & Perez, 1981 apud. Azambuja, 2004).
A lama grossa (slurry) e alguns sedimentos são retirados do fundo do trecho com uma
escavadeira de mandíbula pouco antes da colocação da mistura de solo-bentonita. Segundo
D’Appolonia (1980), na maioria das vezes, este exercício é desnecessário, pois a
condutividade hidráulica de qualquer lama encapsulada removida é menor do que a mistura
solo-bentonita da barreira que irá substituí-la dentro do trecho. Entretanto, se no fundo da
escavação existir materiais granulares, estes devem ser removidos.
A lama bentonítica é mantida, durante toda a escavação, pelo menos 60 cm acima do nível
d’água dentro do solo e, no máximo, 90cm abaixo do nível da superfície (Filz et al., 1997). Se
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
43
durante o processo de escavação o nível da lama bentonítica estiver abaixo do nível d’água
subterrânea, devido ao um aumento repentino do lençol freático ou a uma perda excessiva de
lama bentonítica para um solo adjacente muito poroso, a poro-pressão do solo adjacente irá
gerar uma força interior sobre o filter cake, provocando a sua desintegração. Com isso, o nível
d’água ficará livre para escoar para dentro do trecho escavado, gerando um colapso da parede
de escavação (Xanthakos, 1979). Além da variação do nível d’água, outro fator atribuído ao
colapso das paredes de escavação, deve-se à redução da densidade da lama bentonítica devido
à sedimentação das partículas suspensas. (Morgenstern e Amir-Tahmasseb, 1965 apud.
Azambuja 2004).
2.2.2.1.2 Preparação da lama bentonítica
Os métodos de preparação da lama bentonítica para a introdução no trecho escavado irão
variar com a magnitude do projeto. Os métodos mais comuns utilizados envolvem o uso de
misturadores (flash-type mixers) e tanques de circulação (Xanthakos, 1979).
A bentonita seca é colocada junto com um jato d’água turbulento dentro de misturadores, o
quais descarregam essa mistura dentro de um tanque de baixa circulação onde a bentonita é
hidratada. Este sistema de preparação se adapta bem para grandes volumes de lama
bentonítica (D’Appolonia et al, 1979). Geralmente, dois tanques são empregados, um
misturando e um outro para armazenamento da lama hidratada antes da introdução no trecho.
Para D’Appolonia (1980), em pequenos projetos, vale mais a pena a utilização de
misturadores (propeller-type) que despejem a lama diretamente dentro do trecho escavado.
Nesse caso, a bentonita deve ficar dentro dos misturadores até a sua hidratação completa. O
método de preparo da lama bentonítica não influenciará na efetividade da barreira de solo-
bentonita.
As propriedades dos materiais de solo-bentonita são especificadas de maneira a atingir uma baixa
condutividade nas barreiras de solo-bentonita. As propriedades da lama bentonítica são
determinadas de maneira que se mantenha o trecho de escavação estável. Na maioria dos casos, os
valores das propriedades recomendados em projetos estão baseados em experiências passadas.
Para a formação da mistura de solo-bentonita, na prática, é utilizado de 1 a 5 % de bentonita,
enquanto que as quantidades de solo e água podem variar de acordo com as propriedades
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
44
desejadas (D’Appolonia, 1980; Andromalos e Fisher, 2002). Millet et al. (1992) recomenda
utilização de 2 a 4% de bentonita. Enquanto que, para a formação da lama bentonítica, geralmente
é utilizado 5 % de bentonita misturada a 95 % de água (Evans et al., 1999).
2.2.2.1.3 Preparação e colocação do material de preenchimento
Á medida que a escavação segue em um dos extremos do trecho, o preenchimento da mistura de
solo-bentonita começa a ser realizado no outro extremo. Inicialmente, a mistura deve ser
depositada em um mesmo local do fundo do trecho escavado com uma escavadeira de
mandíbula (clamshell) segundo uma inclinação de 6:1. Este processo continua até que a mistura
de solo-bentonita atinja a superfície gerando assim uma rampa como mostra a Figura 2.6..
(fonte: Baxter, 2000 apud Azambuja, 2004)
Figura 2.6 – Processo Construtivo das Barreiras de solo-bentonita
Posteriormente, a mistura de solo-bentonita é empurrada para dentro do trecho escoando
progressivamente pela rampa sem que ocorra a segregação do material. A mistura de solo-
bentonita expulsa a lama bentonítica do trecho, formando o material final da barreira.
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
45
O material de preenchimento é preparado ao lado do trecho utilizando um equipamento
apropriado (carregadeiras de esteiras ou bulldozers). O material é preparado misturando-se o
solo, geralmente o solo escavado, com a lama bentonítica.
Segundo D’Appolonia (1980), a lama bentonítica utilizada na mistura pode ser fresca (recém-
preparada) ou pode-se usar a lama bentonítica que está dentro do trecho. Normalmente, é
preferível o uso da lama bentonítica do trecho, pois ela é mais grossa e, além disso, contém
materiais finos em suspensão, os quais ajudam na diminuição da condutividade hidráulica da
mistura de solo-bentonita. Adicionalmente, a remoção da lama bentonítica do trecho implica
na introdução de lama fresca para dentro deste, dessa forma, reduzirá o carregamento dos
sólidos suspensos e o peso específico.
O peso específico da lama do trecho deve ser mantido menor do que o peso específico do
material de preenchimento de solo-bentonita. Esse procedimento garante uma expulsão da
lama à medida que vai se colocando o material de preenchimento de solo-bentonita para
dentro do trecho escavado (D’Appolonia, 1980; Millet et al. 1992; Evans, 1993).
Vários experimentos mostraram que para o processo de substituição da lama bentonítica do
trecho ser mais fácil, a lama deve ser fluida o suficiente para permitir escoamento para fora do
trecho, mas ao mesmo tempo deve garantir que não exista segregação de materiais (Koch,
2002).
2.2.2.1.4 Limpeza da área
O excesso de material de preenchimento de solo-bentonita não utilizado e o excesso de lama
devem ser adequadamente dispostos, de acordo com as especificações de projeto. Uma
cobertura de solo pode ser realizada sobre o topo da barreira, mas deve-se esperar um
determinado período de tempo antes de sua execução (EPA, 1998).
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
46
2.2.2.2 Barreiras de solo-cimento-bentonita
A barreira de solo-cimento-bentonita (SCB) é o desenvolvimento mais recente das técnicas
slurry walls de construção. Elas tentam combinar a baixa condutividade hidráulica das
barreiras de solo-bentonita com um material de moderada resistência. Segundo Pearlman
(1999), esta técnica pode ser mais vantajosa em lugares aonde seja possível utilizar o solo de
escavação para a composição da mistura, portanto, diminuindo a quantidade de material
disposta. Geralmente, as barreiras de solo-cimento-bentonita são utilizadas quando as
barreiras de solo-bentonita não possuem resistência suficiente (Andromalos & Fisher, 2001).
As barreiras de SCB normalmente são mais rasas (menores que 1,50 m) e construídas da
mesma forma que as barreiras convencionais de SB (Ryan et al., 2002).
2.2.2.2.1 Escavação do trecho
Assim como nos métodos anteriores, as ferramentas utilizadas para a escavação do trecho são
as mesmas. A escavação é realizada em um ponto inicial até a profundidade especificada em
projeto com a lama bentonítica agindo como um agente estabilizante, evitando o colapso das
paredes da escavação (Ryan et al., 2002).
2.2.2.2.2 Mistura do material de preenchimento
Geralmente, os materiais de preenchimento de SCB e SB são misturados por equipamentos
móveis, que acompanham o ritmo da escavação. Entre eles estão os escavadores hidráulicos,
motoniveladores e carregadeiras. Esta é a principal razão para a produtividade e diminuição
dos custos das barreiras hidráulicas verticais.
A mistura do material de preenchimento SCB é bastante difícil de ser realizada, devido à
adição do cimento. O material de preenchimento é misturado até se atingir um material com
aparência homogênea.
Completada a escavação, o material de preenchimento de SCB é lançado dentro do trecho
expulsando a lama bentonítica, conforme ilustra a Figura 2.7. Este processo é conhecido como
sendo de execução em duas fases, a primeira etapa consiste da escavação do trecho, enquanto
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
47
que a segunda é a do preenchimento do material selante como foi observado por Evans et al.
(1999).
A seguir, na Tabela 2.1, estão apresentadas as quantidades dos materiais usualmente
utilizados na dosagem de misturas de solo-cimento-bentonita.
(fonte: Ryan & Day, 2002)
Figura 2.7 – Lançamento da mistura de solo-cimento-bentonita para
dentro do trecho de escavação.
Tabela 2.1 – Dosagem de materiais aplicados em misturas de solo-
cimento-bentonita
Materiais Quantidades (%)*
Bentonita 2 - 3
Cimento 10- 20
Solo e Água A determinar
* Percentual calculado em relação à massa total da mistura
(fonte: Evans et al., 1999)
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
48
2.2.3 Comportamento Químico e Mecânico das Matérias-primas Utilizadas
Tendo conhecimento da tecnologia de construção das barreiras hidráulicas verticais, pode-se
afirmar que a eficiência da barreira hidráulica está diretamente ligada às propriedades do
material de preenchimento; por isso, este item se detém nesse assunto.
A condutividade hidráulica do material de preenchimento de solo-bentonita depende
fundamentalmente da graduação do solo e da quantidade de bentonita utilizada na mistura.
A consistência ideal do material de preenchimento é uma pasta saturada tendo baixa
resistência ao cisalhamento para ser capaz de escoar facilmente, mas ao mesmo tempo ter
rigidez suficiente para permanecer estável numa declividade de 10:1. Esta consistência
corresponde a um slump de 10 a 15 e uma quantidade de água na mistura de solo-bentonita
normalmente entre 25 a 30% em relação à massa total.
A graduação do solo é um outro fator muito importante na condutividade hidráulica do
material de preenchimento. Quanto menor a condutividade hidráulica no solo, menor será a
condutividade hidráulica da mistura de solo-bentonita. Solos com maior porcentagem de finos
plásticos na sua granulometria irão ter menores valores de condutividade hidráulica se
comparados a materiais de maior diâmetro e não-plásticos. Em muitas aplicações, um teor de
pelo menos 20% de finos, de preferência plásticos, é recomendado. (Xanthakos, 1979;
D’Appolonia, 1980).
A condutividade hidráulica de um material de preenchimento composto de solo-cimento-
bentonita é um resultado de complexas interações entre os vários componentes da mistura.
Segundo Ryan et al. (2002), o cimento Portland interfere na capacidade de uma mistura de
solo e bentonita atingir baixos valores de condutividade hidráulica. Uma barreira típica de
solo-bentonita apresenta normalmente uma condutividade hidráulica de 10
-9
m/seg, nível o
qual é facilmente atingido na maioria dos projetos. Com a mistura de solo-cimento-bentonita,
a condutividade hidráulica resultante será maior, atingindo valores típicos de 10
-8
m/seg
conforme observaram Mutch et al (1997). Com procedimentos de construção especiais é
possível atingir valores de condutividade hidráulica por volta de 5 x 10
– 9
m/s (Pearlman,
1999). Este fato foi constatado também por Plee et al. (1990), visto que na realização de seu
estudo constatou que a adição do cimento Portland à mistura de solo-bentonita provoca um
efeito negativo na condutividade hidráulica.
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
49
O cimento Portland quando adicionado à mistura altera as propriedades químicas da
bentonita. A mesma é afetada na sua capacidade de inchamento e retenção de água (Koch,
2002). Além disso, o cimento Portland requer mais água na mistura de solo-bentonita para
que se consiga atingir o slump adequado para o material ser lançado para dentro da escavação
(Ryan et al., 2002). Com a introdução de mais água, a densidade do material será menor, mais
poros no material de preenchimento serão formados e, conseqüentemente, maior será a
condutividade hidráulica da barreira de contenção.
A condutividade hidráulica não é o único critério de eficiência de uma barreira na qual a
argila é estabilizada pelo cimento. A resistência e a durabilidade do material de
preenchimento da barreira são também parâmetros muito importantes. Stavridakis (2005)
estudou o comportamento de misturas contendo um solo arenoso, cimento e bentonita em
diferentes proporções no que refere a resistência à compressão não confinada e durabilidade.
Teve, também, como meta, determinar as porcentagens mínimas e máximas de bentonita
necessárias para cumprir as exigências de resistência e durabilidade para melhor efeito de
estabilização de cimento. Os resultados obtidos nos ensaios de resistência à compressão não
confinada são apresentados na Figura 2.8.
A aplicação de aditivos pode ser útil na redução da condutividade hidráulica, mas eles
também implicarão em um processo construtivo mais complicado e principalmente,
acrescentarão custos à obra (Pearlman, 1999). Os aditivos que têm sido utilizados são os
retardadores de pega.
Assim como nas barreiras de solo-bentonita, a aplicação de finos pode ter efeito benéfico para
melhorar a eficiência da barreira de solo-cimento-bentonita. Para Andromalos et al. (2001)
um mínimo de 10% de finos plásticos foi recomendado para uma boa proporcionalidade da
mistura de SCB. Por outro lado, a aplicação de uma quantidade excessiva de finos pode exigir
água adicional para atingir o slump necessário para se ter uma trabalhabilidade adequada e,
conseqüentemente, pode diminuir a densidade do material (Ryan & Day, 2002).
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
50
Resistência à compressão não confinada (kN/m
2
)
% solo arenoso
(Fonte: Stavridakis, 2005)
Figura 2.8 - % de solo arenoso versus resistência a compressão não
confinada - mistura solo-bentonita estabilizada com 4% de cimento,
curada por 28 dias
As características, propriedades e forma de execução das barreiras do tipo cimento-bentonita
não foram aqui apresentadas pelo fato de não fazerem parte do foco desse estudo.
As matérias-primas que compõem as barreiras também estão sendo estudadas porque suas
propriedades físico-químicas têm influência direta sobre o desempenho dos novos materiais
em estudo. Assim, julgou-se essencial pesquisar as matérias-primas no seu estado natural e
contaminado.
Segundo Favaretti & Previatello (1994), aumentos na condutividade hidráulica podem ocorrer
devido à estrutura do solo ser mais floculada e sua porosidade maior. Além disso, a dissolução
dos minerais do solo pode ocorrer em pHs altos, reduzindo o teor de sílica tetraédrica e, os
permeantes ácidos podem causar a dissolução da camada tetraédrica.
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
51
Tem-se conhecimento de que uma maior quantidade de óxido de ferro no cimento utilizado
implica num menor índice de vazios. A cimentação causada pelo dióxido de ferro diminui o
numero de poros.
Gleason et al. (1997) afirmam que barreiras hidráulicas a base de bentonita podem ter uma
condutividade hidráulica muito pequena quando permeadas com água. Entretanto, essas
barreiras podem ter condutividades hidráulicas bastante diferentes quando permeadas com
fluidos químicos a que elas são designadas a conter, que podem estar presentes no chorume
ou em água subterrânea contaminada (por exemplo, líquidos com baixa constante dielétrica,
alta concentração de eletrólitos ou alta valência de cátions) estes podem causar o
encolhimento da bentonita. O encolhimento pode levar a fissuras e a um grande aumento na
condutividade hidráulica. Devido ao alto potencial inchamento-encolhimento, a bentonita
sódica é mais suscetível a estes tipos de reações dielétricas do que outros tipos de bentonita.
2.3 TÉCNICAS E MÉTODOS ANALÍTICOS UTILIZADOS NO ESTUDO DE
MATERIAIS
O esclarecimento do comportamento dos materiais geotécnicos propostos (solo-
bentonita/solo-cimento-bentonita) sob ação de contaminantes pode ser facilitado pelo
conhecimento das propriedades físicas, químicas e mineralógicas de cada um de seus
componentes através de métodos e equipamentos disponíveis na área da engenharia química.
Exemplo deste fato foi o estudo de pesquisa de Amorim et al. em que foram determinadas as
propriedades físicas, mineralógicas e reológicas de 6 amostras de bentonita em estado natural
e industrializado provenientes do estado da Paraíba, sendo, 3 da cidade de Boa Vista,
denominadas Bofe, Chocolate e Verde-Lodo e, 3 industrializadas, na forma de bentonita
sódica, provenientes das Indústrias: Dolomil, Brasgel e Brasgel PA. Neste trabalho tiveram,
ainda, por objetivo, determinar a evolução da composição mineralógica e reológica das argilas
durante seus 40 anos de exploração. A bentonita in natura foi transformada em bentonita
sódica pela adição de uma solução concentrada de Na
2
CO
3
. As suspensões foram preparadas
com 4,86% de bentonita em massa a fim de determinar suas propriedades reológicas
(viscosidades plásticas, aparentes e perda d’água). No que se refere às propriedades físicas,
químicas e mineralógicas, foram determinadas a umidade, a granulometria, a capacidade de
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
52
troca de cátions (CTC) e a composição química por um método desenvolvido pelo
Laboratório de Análises Mineralógicas, pertencente à Universidade Federal de Campina
Grande (UFCG), Análise Térmica Diferencial (DTA), Análise Termogravimétrica (TGA),
Difração de Raios-X, Espectrofotometria de Infra-Vermelho e Micrografia Eletrônica de
Transmissão. Os resultados demonstraram que as bentonitas analisadas apresentavam
características típicas; que depois de 4 décadas de exploração sua composição mineralógica
permanecia a mesma, porém sua qualidade tinha se tornado inferior e que, entre as 6 amostras
selecionadas, apenas 1, pertencente ao grupo das bentonitas industrializadas (Brasgel PA),
apresentou propriedades reológicas satisfatórias para ser usada na composição de fluidos de
perfuração.
Partindo desses dados, julgou-se importante conhecer as técnicas e métodos de análise que
podem ser utilizados bem como as propriedades que os mesmos são capazes de determinar.
2.3.1.Difração de Raios-x
A difração de raios-x (DRX) é a técnica que fornece informações mais amplas, precisas e
detalhadas quanto à qualificação, caracterização e quantificação dos argilominerais. É uma
técnica de análise não destrutiva, rápida e muito versátil (permite vários tipos de preparação
de vários tipos de espécimes). A DRX tem apenas o obstáculo de não se poder aplicar a
minerais não cristalinos ou com cristalinidade incipiente. Porém, nas argilas, o número destes
minerais é muito pouco significativo.
De qualquer modo, as amostras a serem analisadas devem ser representativas da argila em
estudo. Antes do uso da DRX algumas amostras requerem tratamentos preliminares que
permitam melhorar a resolução dos difratogramas. É o caso da extração de matéria orgânica,
de óxidos e hidróxido de ferro ou de carbonatos utilizando água oxigenada, ditonito de sódio e
ácido acético glacial, respectivamente (Gomes, 1988).
Através da DRX é possível determinar os minerais que se formaram após a reação química
entre a bentonita, o cimento e o SRAB antes e depois da contaminação.
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
53
2.3.2 Análise Térmica Diferencial (ATD) e Termogravimétrica (ATG)
O método de análise térmica diferencial (até 1050°) tem tido larga aplicação no estudo de
argilas desde os trabalhos de Grim e Rowland (1942, apud. Santos, 1989) que mostraram sua
aplicabilidade como métodos de identificação de argilominerais e suas misturas, naturais ou
artificiais.
As curvas de ATD revelam mudanças de energia que ocorrem num material durante o seu
aquecimento ou arrefecimento. Estas mudanças podem resultar de quatro causas principais:
transição de fase, decomposições no estado sólido, reações com um gás ativo como o oxigênio
(reações geralmente de superfície) e transições de segunda ordem (mudança de entalpia).
O método de Análise Térmica Diferencial (ATD) consiste no aquecimento, em velocidade
constante, de uma argila, juntamente com uma substância termicamente inerte (geralmente o
óxido de alumínio-alfa ou coríndon), registrando as diferenças de temperatura entre o padrão
inerte e a argila em estudo, em função da temperatura; quando ocorrem transformações
endotérmicas ou exotérmicas, estas aparecem como deflexões em sentidos opostos na curva
termodiferencial ou termograma. O registro da temperatura e das diferenças de temperatura
entre o padrão e a argila pode ser feito manual (Barzaghi e Nogami, 1949), fotográfica (Grim
e Rowland, 1942) e automaticamente.
Pela posição, forma e intensidade dos picos endotérmicos e exotérmicos dos termogramas é
possível a identificação bastante precisa de argilominerais puros; hoje existem livros (Kerr
et.al., 1949; Mackenzie, 1957), Atlas e fichas (Mackenzie, 1964), que permitem a
identificação da maioria dos argilominerais e minerais conhecidos. Contudo a Análise
Térmica Diferencial é de uso restrito no caso de misturas de argilominerais devido ao fato de
a posição e a intensidade dos picos de transformações endotérmicas e exotérmicas serem
alteradas pelas misturas. No caso das argilas com vários componentes, argilosos ou não, a
utilidade da ATD como método de diagnose, pode ser restrita. Mas em certos casos, para a
identificação de componentes fracamente cristalinos ou não cristalinos existentes em solos,
identificação da presença de pequenos teores do hidróxido de alumínio cristalino gibsita em
argila (Souza Santos e Santini, 1963) e para a identificação de matéria orgânica em argilas, a
ATD é mais importante que a Difração de Raios X (DRX) (Gomes, 1988).
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
54
A análise termogravimétrica (ATG) consiste no aquecimento da argila em velocidade
constante em ligação com uma balança, o que permite o registro das variações de massa em
função da temperatura; tem valor menor que a Análise Térmica Diferencial porque esta última
detecta também transformações energéticas, tais como transformações polimórficas, como a
do quartzo-alfa em quartzo-beta, que não envolvem variações na massa. É instrumento de
pesquisa útil, trabalhando em paralelo com a Análise Térmica Diferencial; hoje existem
balanças termogavimétricas comerciais de registro automático.
Os termogramas dos argilominerais não são suficientes de uma maneira geral, se usados
isoladamente, para a identificação da espécie mineralógica, mas permitem a classificação
geral dos principais argilominerais, especialmente em argilas monominerálicas: caulinita,
montmorilonita, ilita, clorita e argilominerais fibrosos. O caso de misturas oferece problemas
bastante grandes (Grim, 1944, 1947, 1948, 1951). A Análise Térmica Diferencial pode ser
usada com sucesso no estudo de reações entre sólidos (Grim, Machin e Bradley, 1945) e na
medida do calor necessário para a decomposição térmica das argilas e outras substâncias
químicas (Shorter, 1947; Souza Santos, 1961; Ferrão, 1969).
2.3.3 Reologia
Em termos epistemológicos a palavra REOLOGIA deriva do grego Reo (Escorrimento) +
Logo (estudo), pelo que, em termos gerais, se pode definir reologia como sendo a ciência que
estuda o escoamento e a deformação da matéria (sólidos, fluídos e gases) (Società Ceramica
Italiana, 1990). Mais especificamente, a reologia é a ciência que estuda a relação entre as
condições de fluxo e/ou deformação de um material quando sujeito a um determinado campo
de forças ou, por outras palavras, é a ciência que estuda a origem, natureza e características da
deformação de um corpo quando sujeito à ação de forças externas.
De acordo com Whorlow (1980, apud Ferreira et. al. 2005) e Barnes et al. (1989, apud
Ferreira et. al. 2005), o estudo da deformação e fluxo da matéria, os quais envolvem
fenômenos de elasticidade, plasticidade e viscosidade, constitui-se no principal objetivo da
reologia. A reologia de suspensões, por sua vez, compreende o estudo do comportamento de
fluxo de suspensões de sólidos, utilizando, principalmente, a determinação da viscosidade
aparente e da tensão de escoamento ou "yield stress".
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
55
Para melhor compreender a reologia é necessário definir o termo viscosidade.
Isaac Newton, em 1687, definiu a viscosidade de um fluido como sendo a resistência ao
deslizamento de suas moléculas devido à fricção interna e, quanto maior o grau de fricção
interna de um fluido, maior é a sua viscosidade. Em sua abordagem matemática, Newton
utilizou o modelo de duas placas de áreas A, separadas por uma distância h, movimentadas
através da aplicação de uma força F, como mostra a Figura 2.9.
(Fonte: Barnes, 1989 apud Ferreira, 2005)
Figura 2.9 – Modelo de placas paralelas utilizadas por Newton para
explicar a viscosidade de um líquido
Associa-se sempre viscosidade, ainda que por vezes de forma alegórica, com a maior ou
menor facilidade de escoamento de determinado sistema. O que faz com que, ainda que numa
primeira aproximação, se possa definir o valor da viscosidade como: esforço que é necessário
exercer, para que determinado fluído atinja determinada velocidade.
Considerando:
Ai
Q
k
⋅
= Equação 2.3
e
A
Q
v = Equação 2.4
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
56
Podemos definir:
i
v
k = Equação 2.5
Sendo:
k: Coeficiente de condutividade hidráulica;
Q: Vazão volumétrica;
A: Área do corpo de prova;
v: Velocidade de percolação;
i: Gradiente hidráulico
Observando a equação 2.5, resultante da dedução das equações 2.3 e 2.4 (Lei de Darcy), e
visto o conceito de viscosidade, acima referido, percebe-se a relação entre viscosidade e
condutividade hidráulica. Pois uma maior viscosidade implica numa menor velocidade de
percolação e vice-versa.
Assim que, a reologia auxilia no estudo do comportamento hidráulico dos solos contribuindo
com as investigações da área de engenharia geotécnica. Exemplo disto é Trabalho de Pesquisa
realizado por Pereira & Pinho (2002) no qual realizaram a caracterização reológica de duas
suspensões aquosas de laponite a 1 e 1.5% de concentração mássica e de uma suspensão de
0.5% de laponite numa solução aquosa viscoelástica de 0.07% de CMC. Estas soluções,
contendo de laponite, seriam posteriormente estudadas do ponto de vista do comportamento
hidrodinâmico numa conduta, simulando situações reais da sua utilização. A laponite é uma
argila sintética que forma normalmente suspensões tixotrópicas e viscoplásticas, e é muito
utilizada na indústria de perfuração de poços de petróleo e gás natural como aditivo dos
fluidos lubrificantes. Os fluidos existentes durante operações de perfuração (drilling) contém
em suspensão não só as aparas de rocha, mas também aditivos sólidos que permitem controlar
a densidade do fluido para manter uma pressão hidrostática superior à pressão da rocha,
evitando o seu colapso e a incursão de outros fluidos e a sedimentação das aparas, lubrifica a
operação de corte, refrigera o processo de corte e reveste o furo para reduzir a perda de fluido
para a envolvente sólida (Lockett, 1992 apud Pereira & Pinho 2002). Outro exemplo tem-se
no estudo reológico da bentonita a cerca da hidratação e contaminação por ácido sulfúrico e
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
57
soda cáustica que pode auxiliar na explicação a cerca dos valores obtidos para condutividade
hidráulica das misturas SB e SCB.
No que se refere à bentonita, pode ocorrer a formação de aglomerados de partículas, que
sedimentam sob a ação da própria massa. Segundo Santos (1989), quando um argilomineral é
disperso ou defloculado em água, por exemplo, por meio de um agente dispersante ou
defloculante, como o hidróxido de sódio, o íon-sódio Na
+
fica em solução e a superfície do
argilomineral fica com uma carga negativa adsorvida (íons OH
-
); as partículas de argila
funcionam como condensadores elétricos carregados, havendo uma repulsão entre elas, a qual
provoca a dispersão no meio, dando origem a um colóide, geralmente muito viscoso; quando
a suspensão estável da argila é concentrada (isto é, possui mais de 50% de sólidos), recebe o
nome de barbotina defloculada. Aumentando a carga positiva dos íons do meio, por exemplo,
adicionando Ca
2+
ou Mg
2+
, o potencial eletrocinético da partícula do argilomineral diminui a
repulsão entre as partículas diminui e há formação de aglomerados de partículas, que
sedimentam sob a ação da própria massa, tendo-se o fenômeno de precipitação ou floculação,
muito usado nos decantadores de argilas e caulins para precipitação; como agentes floculantes
são usados os íons hidroxônios (na forma de ácido sulfúrico ou clorídrico), cálcio (na forma
de hidróxido de cálcio) ou alumínio (na forma de sulfato de alumínio).
Assim, os íons adsorvidos nas superfícies dos argilominerais podem afetar de várias maneiras
a água neles adsorvida como segue:
a) um cátion pode agir como ligação ou ponte para manter as partículas de
argilominerais unidas (no estado floculado) ou para limitar a distância de
separação entre elas (no estado defloculado). De uma maneira geral, os cátions
polivalentes têm uma tendência maior a ligar as partículas entre si, isto é, têm
maior poder floculante;
b) o íon potássio K é um caso peculiar, provavelmente devido ao fato de o seu raio
iônico permitir que se adapte exatamente no orifício “hexagonal” do reticulado de
átomos de oxigênio da superfície dos argilominerais esmectíticos e porque o seu
número de coordenação é favorável para este arranjo; o íon-amônia tem
comportamento análogo ao do íon-potássio. No caso dos outros íons monovalentes
eles favorecem a mútua repulsão entre as partículas de argilominerais.
A realização de ensaios apropriados sobre amostras do material a caracterizar é
imprescindível para estabelecer as leis de comportamento. Nos testes devem ser usados
amostras e instrumentos adequados, de modo que os resultados experimentais sejam
reprodutíveis e traduzam as propriedades intrínsecas do material. Uma condição básica que se
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
58
procura assegurar é a da uniformidade dos estados de tensão e de deformação numa zona de
referência da amostra. Freqüentemente procura-se impor à amostra um estado de tensão
uniaxial, tangencial ou hidrostático, sendo os últimos os mais utilizados na caracterização dos
materiais muito deformáveis, como os fluidos.
Dentro do âmbito de abrangência da Reologia estudou-se pormenorizando os sistemas água –
sólidos suspensos (barbotinas), pelo que as deformações ocorridas estão relacionadas com a
viscosidade dos diferentes sistemas.
Todavia, para que o comportamento reológico das bentonitas pudesse ser estudado se fez
necessário conhecer alguns conceitos relacionados aos ensaios reológicos. Estes se encontram
relacionados a seguir.
2.3.3.1 Conceitos básicos
2.3.3.1.1 Velocidade
A velocidade de uma molécula de fluído depende da sua posição no tubo, sendo máxima no
centro e mínima junto à parede do tubo, como ilustra a Figura 2.10.
(Fonte: Società Ceramica Italiana, 1990).
Figura 2.10 - Gradiente de velocidades de um fluído que escoa no
interior de um tubo
Neste caso há a considerar que:
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
59
- a velocidade aumenta constantemente da parede do tubo para o interior;
- as moléculas do fluído não são livres de se moverem independentemente umas
das outras devido ao atrito interno;
- quanto maior o diâmetro do tubo mais fácil será o escoamento;
- quanto menor o atrito interno maior a velocidade do fluxo.
Desta forma deve introduzir-se outro conceito:
2.3.3.1.2 Gradiente de velocidade (D ou γ)
Se numa massa de fluído se medir, num determinado ponto, a sua velocidade máxima
(Vmáx.) e noutro ponto a velocidade mínima (V
min
). Se L for a distância entre esses pontos,
pode então definir gradiente de velocidade (D) como apresentado na Equação 2.6.
L
VV
D
minmáx
−
= Equação 2.6
Note-se que:
- o gradiente de velocidade está diretamente relacionado com o maior, ou menor,
atrito interno do fluído;
- se nas mesmas condições um fluído atinge elevados gradientes de velocidades,
então este tem baixo atrito interno;
As dimensões do gradiente de velocidade (Equação 2.7) têm como unidade s
-1
.
[ ]
1
1
T
L
T.L
L
V
D
−
−
=
== Equação 2.7
Outra forma de definir gradiente de velocidade é, considerando a Figura 2.11 (ocorre no
reômetro), onde D = du/dr. O fator físico que está na base da manifestação do atrito e que
origina o gradiente de velocidade é a viscosidade, uma grandeza física que só depende da
natureza da substância que constitui o fluído e do seu estado físico.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
60
(Fonte: Società Ceramica Italiana, 1990).
Figura 2.11 - Esquema utilizado para cálculo do gradiente de
velocidade
2.3.3.1.3 Tensão de corte (
τ
)
Definição necessária para se chegar ao entendimento exato de viscosidade é o conceito de
esforço a que um fluído é submetido.
A tensão de corte nada mais é do que a pressão gerada pelo esforço ao qual o fluido está
submetido por unidade de área do fluido.
Nos ensaios em que o reômetro é utilizado, na investigação do comportamento de barbotinas à
base de bentonita, deve-se considerar que (ver Figura 2.12):
- a área A é suficientemente grande para não ser necessário entrar em linha de
conta com as condições de fronteira;
- o fluído está contido entre duas placas com áreas muito superiores a A, dispostas
de forma paralela e a uma distância relativa de r;
- a superfície inferior está fixa, enquanto que a superior se desloca com uma
velocidade U;
- a distância entre as duas superfícies não é muito elevada e
- a velocidade U não é muito elevada então a distribuição da velocidade u de cada
plano paralelo de fluxo, definido relativamente a uma normal aos planos paralelos,
é linear. A experiência mostra que o esforço tangencial (tensão tangencial de corte
ou de cisalhamento) exercida entre dois planos paralelos do fluído é, para uma
vasta classe de fluídos, proporcional a u e inversamente proporcional à sua
distância r.
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
61
(fonte: Società Ceramica Italiana, 1990)
Figura 2.12 - Visualização panorâmica da tensão de corte e do
gradiente de velocidade de um líquido em modo laminar
O coeficiente de proporcionalidade (
η) relaciona-se com a tensão de corte como mostra a
equação 2.8 e é denominado coeficiente de viscosidade dinâmica (
η) e serve para definir
quantitativamente a viscosidade. Uma vez que a tensão de corte é, por definição de todos os
fenômenos de atrito, a força aplicada por unidade de área.
D
τ
=η Equação 2.8
O comportamento reológico pode ser obtido a partir da análise dos reogramas – gráficos que
relacionam gradiente de velocidade (τ) e tensão de corte (D) e, cuja linha gerada demonstra
como a solução reage sob tensão. E esta solução (ou fluido) terá uma classificação típica
como apresentado a seguir.
2.3.3.1.4 Fluidos newtonianos (ou normais)
Os fluídos Newtonianos são os fluidos que apresentam uma variação linear entre a velocidade
de deformação e a força que lhe deu origem, ou seja, entre o gradiente de velocidade (D) e a
tensão de corte (τ). A viscosidade mantém-se constante com a variação na taxa de
deformação. Como exemplos de fluidos newtonianos, podem-se citar os óleos e soluções de
polímeros (Ferreira et. al., 2005).
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
62
Em termos gráficos pode-se representar esta relação através de uma reta como a
exemplificada na Figura 2.13. Ao considerar-se η como uma constante, se está,
obrigatoriamente, a falar de fluídos Newtonianos, que são os gases e líquidos homogêneos
onde a relação entre o esforço tangencial e o gradiente da velocidade de corte (du/dr) é
representado por uma reta que passa pela origem e cuja inclinação determina a velocidade
(Figura 2.13).
(fonte: Società Ceramica Italiana, 1990).
Figura 2.13 - Reograma de um fluído Newtoniano
Na Figura 2.13 pode-se verificar que a viscosidade (
η) pode ser determinada através do
declive da reta de τ em função de D, como mostra a equação 2.9.
D
tg
τ
=α=η η Equação 2.9
Através da Figura 2.13 e da equação 2.9, se pode verificar que quanto maior o declive da reta,
maior a viscosidade. Num fluído com este tipo de relação é fácil de prever o seu
comportamento: continuará a escorrer com velocidade decrescente à medida que a tensão de
corte diminui, só parando quando a tensão de corte é nula. Um fluído pode ter um
comportamento Newtoniano em certas gamas de D e ter comportamento não Newtoniano para
outras.
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
63
2.3.3.1.5 Fluídos não Newtonianos (ou anormais)
Ao contrário dos fluidos newtonianos, os fluidos não-newtonianos não apresentam uma
relação linear entre a tensão de corte e a taxa de deformação, isto é, os valores da viscosidade
mudarão com a variação nos valores da taxa de deformação. Esses valores de viscosidade são
considerados como viscosidade aparente, podendo aumentar ou diminuir, de acordo com as
características de cada fluido (Ferreira et. al., 2005). Os fluidos não newtonianos podem ser
classificados como Binghamianos (ou plásticos), Pseudo-Plásticos ou Dilatantes.
a) Líquidos Binghamianos ou Plásticos
- O comportamento reológico de Bingham, ou
plástico, é, de entre os comportamentos anormais, o mais simples. Ao contrário dos fluídos
com comportamento ideal, ou de Newton, que escorrem (fluem) quando lhes é aplicada uma
tensão de corte infinitamente pequena, os fluídos com comportamento plástico necessitam
uma tensão mínima para começarem a fluir. Para tensões de corte inferiores comportam-se
como sólidos (Figura 2.14).
A tensão de corte que é necessário aplicar para que o fluído comece a escorrer é denominada
por limite de escoamento, resistência ao corte ou tensão mínima de cisalhamento. É definida
como
τ
0
e sua unidade é o Pascal (Pa). Após a aplicação desta tensão, o fluído comporta-se
como um fluído normal.
Segundo Ferreira (2005), esse tipo de comportamento é característico de suspensões pseudo-
homogêneas de partículas finas ou ultrafinas. Segundo Nguyen e Boger (1983, apud Ferreira
2005), o valor da tensão de escoamento denota a transição entre o comportamento de um
sólido e um líquido. Uma das principais aplicações desse parâmetro tem sido no projeto e
monitoramento do transporte de suspensões através de bombeamento, onde se deseja um valor
da tensão de escoamento que possibilite o transporte de suspensões sem a ocorrência de
sedimentação de partículas e, em caso de uma eventual paragem do sistema, não ocorra a
sedimentação imediata das partículas.
A diferença de comportamento entre os fluídos newtonianos e os plásticos pode ser explicada
com base na Figura 2.15.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
64
(Fonte: Società Ceramica Italiana, 1990).
Figura 2.14 - Reograma de um fluído Binghamiano
(a) (b)
(fonte: Società Ceramica Italiana, 1990)
Figura 2.15 – Empilhamentos típicos de fluídos ( a)Newtonianos e
(b)Binghamianos.
Considerando o empilhamento A das esferas, toda a tensão de corte é aplicada no seu
escoamento. No caso do empilhamento B, que é uma imagem de um comportamento de
Bingham, antes de haver escoamento das esferas e necessário levá-las à posição do
empacotamento de A, e só a partir desse momento é que as mesmas rolarão. A tensão
necessária para levar as esferas da posição B à posição A corresponde ao limite de
escoamento (τ
0
).
No caso dos fluidos Binghamianos a tensão de corte (τ
ττ
τ) pode ser calculada pela equação 2.10.
α+τ=τ tg.D
0
Equação 2.10
Resta agora esclarecer o que representa o valor de tg
α. Observando a Figura 2.16, do ponto
de vista geométrico representa o declive da reta de τ em função de D, uma vez superado o
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
65
valor de τ
0
que é constante. Fisicamente continua a ser, para todos os efeitos, uma
viscosidade.
Interpretando o reograma apresentado na Figura 2.16 pode-se deduzir que:
- o fluído A apresenta um escorrimento muito lento, mas uniforme. Pequenas
agitações acidentais não provocam alterações significativas na velocidade de
escoamento;
- o fluído C é o que apresenta o gradiente de velocidade mais elevado para a
mesma variação τ. O seu escoamento interno é mais fácil e a sua viscosidade
plástica é muito baixa. Pequenas agitações acidentais originam alterações
significativas na velocidade de escoamento;
- o fluído B apresenta propriedades intermédias entre os dois referidos, pelo que,
sob o ponto de vista de aplicação industrial é, em princípio, o que apresenta
melhores características, isto sem prejuízo do que se refere seguidamente.
(Fonte: Società Ceramica Italiana, 1990).
Figura 2.16 - Variação da viscosidade para um fluído Binghamiano
quando não se considera a tensão de cisalhamento (τ
0
).
b) Fluídos Pseudo-Plásticos - Existe um conjunto de fluídos que escoam quando lhes é
aplicada uma tensão de corte muito ligeira, como acontece com os fluídos Newtonianos, mas
para os quais a velocidade de escoamento (gradiente de velocidade) não é proporcional à
tensão de corte (Figura 2.17).
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
66
(Fonte: Società Ceramica Italiana, 1990).
Figura 2.17 – Reograma de um fluído pseudo-plástico
É o caso das barbotinas (suspensões argilosas) cuja elevada viscosidade diminui com o
aumento da tensão de corte e, conseqüentemente, com a velocidade de escoamento, até ao
momento em que a curva passa a ter um comportamento linear (A). A partir desse momento o
fluído comporta-se como um fluído Binghamiano com limite de escoamento
τ’ e viscosidade
plástica que pode ser obtida a partir da equação 2.11, razão pela qual se dá a estes fluídos o
nome de pseudo-plásticos. Entre as várias causas para esse comportamento, Shaw (1975,
apud. Ferreira et. al., 2005) cita, para o caso de um sistema agregado, que a diminuição da
quantidade de líquido retido pelos agregados, devido à quebra desses agregados, através da
agitação, provoca uma diminuição da viscosidade.
η
p
= tg α
Equação 2.11
Os fluídos que apresentam este tipo de comportamento são geralmente constituídos por
grandes cadeias moleculares (macromoléculas filiformes) entrelaçadas entre elas. Sobre a
ação de uma tensão de corte, as macromoléculas vão se orientando progressivamente, e para
uma determinada velocidade de escoamento (gradiente de velocidade), correspondente ao
ponto A, todas elas estão orientadas no sentido do escoamento. Se diminuir a velocidade de
escoamento, as macromoléculas vão se entrelaçando novamente, readquirindo a estrutura
anterior. Este comportamento é completamente reversível, pois, se assim não fosse, ter-se-ia
um comportamento tixotrópico.
c) Fluídos Dilatantes - São fluídos em que a viscosidade aumenta à medida que aumenta a
velocidade de escoamento (Figura 2.18).
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
67
Figura 2.18 - Reograma de um fluído dilatante
Líquidos com este tipo de comportamento não são muito freqüentes na prática. O mesmo se
verifica em suspensões altamente concentradas em que a fase líquida ocupa os interstícios
entre as partículas sólidas que têm um empacotamento máximo. Se houver agitação, o
empacotamento máximo das partículas desfaz-se e deixa de haver líquido suficiente para
haver lubrificação, havendo por isso um aumento da viscosidade.
2.3.3.2 Determinação das características reológicas
O comportamento reológico de suspensões cerâmicas quer sejam barbotinas, quer sejam
suspensão de vidrados, é bastante complexo. Tal deve-se ao fato destes materiais
apresentarem comportamentos não Newtonianos caracterizados por:
- existência de um limite de escoamento mais ou menos elevado (comportamento
plástico);
- viscosidade mais ou menos dependente da velocidade de escoamento,
apresentando muitas vezes comportamentos pseudo-plásticos;
- comportamento mais ou menos tixotrópico.
Nesta situação, é obvio que uma só determinação do valor da viscosidade não é suficiente
para caracterizar reologicamente as suspensões, sendo para tal necessário efetuar um conjunto
de determinações da viscosidade para diferentes valores de velocidade de escoamento e
tensão de corte. Este procedimento foi realizado neste estudo.
Após a determinação desse conjunto de valores estes podem ser expressos sobre a forma de
reogramas, nomeadamente:
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
68
- Viscosidade v
s
. versus tensão de corte - η = f(τ);
- Viscosidade v
s
. versus velocidade de escoamento - η = f(D);
- Tensão de corte v
s
. versus velocidade de escoamento - τ = f(D).
Só após a determinação do reograma se pode dizer que se conhece a reologia de uma
barbotina.
Industrialmente não é possível muitas vezes a determinação do reograma, fazendo-se
unicamente determinações pontuais da viscosidade (aparente), sem que se possa considerar
que essa seja uma operação inútil, uma vez que essa operação é o mínimo necessário para
garantir a reprodutibilidade de determinada operação do processo.
O conhecimento de um dos reogramas apresentados no item 2.3.3.1 representa um nível
superior de informação que:
- caracteriza o comportamento reológico qualitativamente (tipo de reograma) e
quantitativamente (variação da viscosidade na gama de velocidades de escoamento
ou de tensões de corte estudadas);
- permite confrontar o comportamento reológico de diferentes barbotinas;
- estudar a influência de aditivos;
- estudar o efeito do envelhecimento no comportamento reológico.
2.3.3.3 Parâmetros que influenciam o comportamento reológico.
Amorim et al. (2002) investigaram o comportamento reológico de dispersões de argilas
bentoníticas, sendo que tinham por objetivo estudar a influência do tipo de ferramenta, da
velocidade e do tempo de agitação nas propriedades reológicas de dispersões de quatro
amostras de argilas bentoníticas sódicas industrializadas no Estado da Paraíba, Brasil. Foi
realizado um planejamento fatorial do tipo 2
3
para avaliar os fatores de entrada (tipo de
ferramenta, velocidade e tempo de agitação) sobre as viscosidades aparente e plástica e o
volume de filtrado. As dispersões foram preparadas na concentração de 4,86% em massa de
argila (24,3 g de argila em 500 mL de água deionizada) utilizando ferramentas do tipo palheta
corrugada e em forma de borboleta, duas velocidades (10.000 rpm e 17.000 rpm) e dois
tempos de agitação (10 e 20 min). As viscosidades, aparente e plástica, foram determinadas
em viscosímetro Fann 35A, e o volume de filtrado, em filtro prensa Fann. Através da
regressão dos dados experimentais, verificou-se que as variáveis de entrada não apresentam
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
69
influências estatisticamente significativas nas propriedades reológicas das dispersões
estudadas.
Assim que, o comportamento reológico das suspensões depende essencialmente de duas
ordens de parâmetros:
a) condições de manipulação e transporte que a suspensão está sujeita;
b) efeitos derivados da interação na interface sólido – líquido.
De forma geral, os parâmetros que determinam o comportamento reológico de sistemas
dispersos podem ser agrupados em duas categorias:
1 – Propriedades físico-químicas dos pós.
- Granulometria;
- Superfície específica;
- Forma da partícula;
- Densidade.
2 – Química da interface
- Concentração de sólidos,
- Propriedades e natureza do meio dispersante,
- Viscosidade,
- Composição química,
- Concentração do eletrólito
- Interações interpartículas: forças atrativas de Van der Walls, forças repulsivas
eletrostáticas e
- Adsorção na interface.
Além destas categorias, as propriedades da suspensão dependem também das características
dos aditivos, como:
- Concentração,
- Composição química.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
70
Da combinação das características dos vários componentes resulta a interação superficial
entre as partículas, que é fortemente dependente da concentração de sólidos, e que determina
a maior ou menor estabilidade do sistema, dependendo da natureza (atrativa ou repulsiva) das
forças e da intensidade das interações. Estas interações são do ponto de vista reológico e
relativas às interações hidrodinâmicas, muito importantes.
Para elevados gradientes de velocidade, as interações hidrodinâmicas, em conseqüência de
terem partículas sólidas dispersas num meio contínuo, são predominantes às interações não
hidrodinâmicas. Para baixos gradientes de velocidade prevalecem as interações não
hidrodinâmicas.
No caso de suspensões concentradas, como é o caso da generalidade dos processos cerâmicos,
as interações não-hidrodinâmicas podem ser devidas:
- à movimentos de rotação e translação do tipo browniano;
- à interação entre as partículas que pode ser de natureza atrativa ou repulsiva;
- ao contato direto entre as superfícies das partículas.
Enfim, todas as interelações aqui apresentadas no âmbito da reologia foram observadas e
analisadas neste Trabalho de Pesquisa.
E as informações foram de suma importância na investigação do comportamento da bentonita
sódica nas misturas do tipo solo-bentonita e solo-cimento-bentonita mediante percolação de
água, ácido sulfúrico e soda cáustica visto que há relação direta entre sua performance e o
índices de vazios determinados.
2.3.4 Microscopia Eletrônica
O equipamento necessário às análises micro-estruturais dos materiais são escolhidos
conforme o nível de resolução necessário à observação pormenorizada; alguns dos recursos
disponíveis na atualidade para esta avaliação são apresentados na Tabela 2.2, segundo
Brandon (1999) (apud. Técnicas de Caracterização, 2006).
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
71
Tabela 2.2 – Técnicas adequadas para análise micro-estrutural
Estrutura cristalina e
de interfaces, defeitos
pontuais
Discordâncias,
contornos de grãos e
fases, fenômenos de
precipitação
Tamanhos de grão e
de partícula,
morfologia e
anisotropia de fases
Defeitos de produção,
porosidade, trincas e
inclusões
Características
XRD, STM, HRTEMSEM, TEM, AFMLM, SEMvisual, XRR, US
Técnicas usuais
×10
6
×10
4
×10
2
× 1
Aumento típico
Nano-estruturaMicro-estruturaMeso-estruturaMacro-estruturaEscala
Estrutura cristalina e
de interfaces, defeitos
pontuais
Discordâncias,
contornos de grãos e
fases, fenômenos de
precipitação
Tamanhos de grão e
de partícula,
morfologia e
anisotropia de fases
Defeitos de produção,
porosidade, trincas e
inclusões
Características
XRD, STM, HRTEMSEM, TEM, AFMLM, SEMvisual, XRR, US
Técnicas usuais
×10
6
×10
4
×10
2
× 1
Aumento típico
Nano-estruturaMicro-estruturaMeso-estruturaMacro-estruturaEscala
Abreviaturas:
(fonte: Técnicas de Caracterização, 2006)
No que se refere ao estudo de uma argila no microscópio eletrônico, as informações que se
podem esperar são as seguintes:
a) determinação da morfologia ou hábito cristalino das partículas constituintes;
b) identificação dos argilominerais presentes se acoplado ao EDS;
c) possibilidade da medição das dimensões das partículas para a determinação da
curva de distribuição granulométrica das mesmas;
d) detectar a presença de pequenos teores de argilominerais não detectáveis por
difração de raios-x;
e) presença de materiais ou minerais amorfos, como os alofanos;
f) determinação do sinal e da distribuição das cargas elétricas na superfície das
partículas, como, por exemplo, a adsorção de partículas negativas de ouro coloidal
por partículas caulinita ou de montmorilonita.
Por fim, é importante salientar que, a habilidade do microscópio eletrônico em fornecer
valiosas informações vai depender inteiramente das técnicas da preparação do espécime e da
representatividade da amostra avaliada.
2.3.5 Ensaio para Determinação da Condutividade Hidráulica
O coeficiente de condutividade hidráulica de um solo saturado (k) é uma das variáveis de
maior relevância para estudos de movimento de água e solutos no solo. Sua determinação em
campo produz resultados com elevada dispersão pelo fato da distribuição granulométrica do
XRR = Radiografia de Raios-X, US = Ultra-som, LM = Microscopia Ótica, SEM = Microscopia Eletrônica de Varredura, TEM
= Microscopia Eletrônica de Transmissão, AFM = Microscopia de Força Atômica, XRD = Difração de Raios-X, HRTEM =
TEM de Alta Resolução
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
72
solo apresentar variabilidade num mesmo horizonte. Vários estudos têm sido realizados,
buscando ajustar os resultados obtidos em ensaios, à realidade.
Mesquita et al. (2002), com o objetivo de determinar esta variabilidade em seu experimento
determinaram a condutividade hidráulica saturada, pelo método de permeâmetro de carga
constante, em amostras indeformadas de três solos com diferentes texturas da região centro-
oeste do estado de São Paulo e submeteram os resultados a testes estatísticos para
identificação da distribuição assimétrica mais adequada para representá-los.
Pereira et. al. (2006) compararam a condutividade hidráulica saturada, determinada em
laboratório, utilizando o permeâmetro de carga constante, com o método de campo,
representado pela metodologia do poço seco. Usaram amostras, extraídas das camadas de 0-
20, 20-40 e 40-60 cm de profundidade, de um Latossolo Amarelo Álico coeso, representativo
dos tabuleiros costeiros dos Estados da Bahia e Sergipe. Os resultados mostraram larga
discrepância entre os valores de condutividade hidráulica obtidos pelos dois métodos, sendo
que o método de laboratório proporcionou, para todas as profundidades, os maiores valores.
Sällfors & Öberg-Högsta (2002) propuseram uma outra variável relacionada à condutividade
hidráulica. A ênfase do Trabalho foi posta no projeto liners para deposição de resíduos
poluentes, focalizando a condutividade hidráulica na sua variação com tempo, a composição
do liner, teor de umidade, índice de compactação, etc. Foram estudadas misturas do tipo
areia-bentonita, enfocando a variação da condutividade hidráulica em função da proporção de
bentonita e do grau de saturação. A fim de compreender melhor a variação da condutividade
hidráulica de uma mistura de areia e bentonita, um parâmetro novo k
1
foi proposto. O
parâmetro reflete a quantidade de bentonita por volume de poros e pode facilmente ser
calculado. Na realização dos experimentos, basearam-se na quantidade de bentonita e na
densidade seca da mistura do solo. Desse modo, a condutividade hidráulica pode ser prevista
em função dos diferentes graus de compactação. Segundo os pesquisadores envolvidos, este
método pode ser usado como um meio, no qual a Engenharia poderá prever a condutividade
hidráulica, num estágio inicial de projeto e o seu custo.
A condutividade hidráulica de solo saturado pode ser medida em laboratório com
permeâmetros de parede rígida ou flexível. As células de parede rígida são preferíveis para
materiais granulares e os de células flexíveis são preferíveis para os de baixa condutividade
hidráulica dependendo do tipo de amostra a ser testada e as condições a serem simuladas.
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
73
Procedimentos para a seleção e preparação das amostras são criticamente importantes, até
mesmo para materiais compactados em laboratório.
Ambos os testes (carga constante ou variável) produzirão resultados satisfatórios se usados
apropriadamente. Para materiais compressíveis não se pode mudar muito a carga hidráulica
aplicada, ou a amostra mudará seu volume. Para amostra saturada se faz necessária a
permeação com água desairada até alcançar o nível de equilíbrio do fluxo, suplementada com
contrapressão apropriada, no caso de permeâmetro de parede flexível.
A permeação deve continuar até que o equilíbrio químico seja alcançado quando testada com
outros líquidos além da água, por exemplo, resíduos químicos.
O permeâmetro de parede rígida tende a ser de mais baixo custo e mais fácil de usar.
Entretanto, o vazamento pelas laterais, que no permeâmetro de parede flexível pode ser
facilmente controlado através da aplicação de tensões confinantes, neste tipo de permeâmetro
é mais difícil de controlar.
O método de ensaio descrito pela ASTM D5856 é próprio para amostras cuja condutividade
hidráulica é menor ou igual a 10
-5
m/s e é aplicado para materiais compactados. É adequado à
permeação de água, mas pode ser utilizado para permeação de outros líquidos como detritos
químicos (resíduos industriais), sendo que nestes casos os procedimentos devem ser
adequados à situação. Supõe-se, neste caso, que a Lei de Darcy seja válida por se tratar de um
ensaio de carga constante. Entretanto, cabe salientar que, se o gradiente hidráulico que age
sobre uma amostra for alterado, o estado de tensões também mudará e embora a amostra ou o
fluído dos poros seja compressível, o volume da amostra testada ou do fluido dos poros
mudará. Desta forma algumas mudanças de condutividade hidráulica poderão ocorrer. A
correlação entre os resultados obtidos com este método de teste para condutividade hidráulica
e os resultados obtidos através dos ensaios de campo não foi totalmente investigada. As
experiências algumas vezes demonstraram que o fluxo escoado no interior das amostras, não
necessariamente seguiram o mesmo padrão, em grande escala (situação de campo). Portanto
os resultados devem ser aplicados para situações de campo com cautela. O problema potencial
deste método de teste é a possibilidade da água a ser fluida escoar ao longo da interface entre
a amostra a ser testada e a cápsula do permeâmetro. Essa questão tende a ser de menor
significância para materiais que incham quando expostos à água (por exemplo, compactados e
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
74
solos argilosos), porém podem ocorrer sérios problemas com materiais que tendem a se
contrair, pois dessa forma o líquido passa na interface amostra-parede do permeâmetro.
A bentonita sódica utilizada nesta Pesquisa, por ter um alto limite de liquidez, reduz esta
problemática, pois ao ser hidratada durante o ensaio de condutividade hidráulica, expande
muito, ocupando os espaços vazios e aderindo às paredes do permeâmetro de parede rígida.
2.4 MATÉRIAS-PRIMAS DO MATERIAL DE PREENCHIMENTO
Neste item são apresentadas as principais características e propriedades das matérias-primas
adotadas neste Trabalho de Pesquisa: o solo residual, a bentonita sódica e o cimento Portland
CP V ARI.
2.4.1 Cimento Portland
O cimento Portland é composto de clínquer e de adições. O clínquer é o principal componente
e está presente em todos os tipos de cimento Portland. Na forma de pó, ele tem a
peculiaridade de desenvolver uma reação química em presença de água, na qual,
primeiramente, torna-se pastoso e, em seguida, endurece, adquirindo elevada resistência e
durabilidade. Essa característica adquirida pelo clínquer, que faz dele um ligante hidráulico
muito resistente, é sua propriedade mais importante. As adições, misturadas ao clínquer na
fase de moagem, podem variar de um tipo de cimento para outro e são principalmente elas
que definem os diferentes tipos de cimento. Essas outras matérias-primas são: o gesso, as
escórias de alto-forno, os materiais pozolânicos e os materiais carbonáticos. O gesso tem
como função básica controlar o tempo de pega, isto é, o início do endurecimento do clínquer
moído quando este é misturado com água. Caso não se adicionasse o gesso à moagem do
clínquer, o cimento, quando entrasse em contato com a água, endureceria quase que
instantaneamente, o que inviabilizaria seu uso nas obras. No mínimo, 95% do cimento CPV-
ARI é constituído de gesso e clínquer. A Tabela 2.3 apresenta a composição do CPV-ARI. Os
materiais carbonáticos, também presentes neste tipo de cimento em pequena proporção, são
rochas moídas, que apresentam carbonato de cálcio em sua constituição tais como o próprio
calcário. Tal adição serve também para tornar os concretos e as argamassas mais trabalháveis,
porque os grãos ou partículas desses materiais moídos têm dimensões adequadas para se
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
75
alojar entre os grãos ou partículas dos demais componentes do cimento, funcionando como
um verdadeiro lubrificante. Quando presentes no cimento são conhecidos como fíler calcário
(Associação Brasileira de Cimento Portland, 2002).
O cimento Portland comum é constituído por diversos minerais sendo por isso encarado como
um sistema multicomponente. Quatro compostos são usualmente considerados como
principais constituintes do cimento, eles encontram-se relacionados na Tabela 2.4 (Neville,
1997).
Tabela 2.3 – Composição do Cimento CP V-ARI
Composição (% em massa)
Tipo de cimento
Portland
Sigla
Clínquer +
gesso
Material
Carbonático
Norma
Brasileira
Alta Resistência Inicial
CP V-
ARI
100-95 0-5 NBR 5733
(fonte: Associação Brasileira de Cimento Portland, 2002)
Tabela 2.4 – Compostos principais do cimento Portland
Nome do composto Composição em óxidos Abreviatura
Silicato tricálico 3CaO. SiO
2
C
3
S
Silicato dicálcico 2CaO.SiO
2
C
2
S
Aluminato tricálcico 3CaO.Al
2
O
3
C
3
A
Ferroaluminato tetracálcico 4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
C
4
AF
Símbolos: CaO = C; SiO
2
= S; Al
2
O
3
= A; Fe
2
O
3
= F
(fonte: Neville, 1997)
Neville (1997) relata que o cimento apresenta, ainda, compostos secundários como MgO,
TiO
2
, MnO
2
, K
2
O, e Na
2
O; eles não chegam a mais do que uma pequena porcentagem da
massa de cimento. Dois compostos secundários apresentam particular interesse: os óxidos de
sódio e de potássio, Na
2
O e K
2
O, conhecidos como os “álcalis” (embora existam outros
álcalis no cimento). Descobriu-se que eles reagem com alguns agregados, de modo que os
produtos dessa reação provocam a desintegração do concreto, e também que eles influenciam
a velocidade de aumento de resistência do cimento. As quantidades de álcalis e de Mn
2
O
3
podem ser determinadas rapidamente com o uso de um espectrofotômetro.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
76
No que se refere ao cimento portland de alta resistência inicial (CP V-ARI), embora
contemplado pela ABNT como norma separada do cimento portland comum, é na verdade um
tipo particular deste, que tem a peculiaridade de atingir altas resistências já nos primeiros dias
da aplicação. O desenvolvimento da alta resistência inicial é conseguido pela utilização de
uma dosagem diferente de calcário e argila na produção do clínquer, bem como pela moagem
mais fina do cimento, de modo que, ao reagir com a água, ele adquira elevadas resistências,
com maior velocidade (Associação Brasileira de Cimento Portland, 2002).
O aumento da resistência do cimento de alta resistência inicial é conseguido com um teor
mais alto de C
3
S (maior do que 55% e às vezes até do que 70%) e por uma moagem até finura
maior do clínquer do cimento (Neville, 1997).
2.4.1.1 Hidratação do cimento Portland.
Na química do cimento, a hidratação é entendida como a reação entre o cimento e/ou os seus
constituintes na forma não hidratada e a água, provocando mudanças, quer químicas quer
físico-mecânicas no sistema, conduzindo à pega e ao endurecimento do cimento. É possível
que exista hidratação parcial do cimento apenas por contato com o ar úmido. No entanto, a
sua hidratação completa só é possível quando adicionada uma quantidade suficiente de água.
A relação água/cimento influencia:
a) a reologia das suspensões produzidas pela adição de água ao cimento;
b) o progresso da hidratação do cimento; e
c) as propriedades finais do material hidratado.
É assim usual, a utilização de relação a/c (massa/massa) entre 0,3 e 0,6 (Odler, 1998 apud
Pereira, 2004), permitindo produzir suspensões com a consistência adequada, designadas por
pasta de cimento fresca. À medida que a hidratação progride a pasta adquire pega, momento
em que a mesma sofre uma repentina perda de plasticidade relativamente à pasta inicial,
convertendo-se num material sólido com alguma resistência. A partir do momento em que
adquire pega, o sistema vai desenvolvendo, ao longo do tempo, dureza e resistência
significativa. Este processo é designado como endurecimento.
Em contato com a água, os quatro componentes principais do cimento Portland (C
3
S, C
2
S,
C
3
A, C
4
AF) formam compostos hidratados por meio de um mecanismo bastante complexo.
Basicamente a hidratação pode ser entendida como um fenômeno composto por duas fases. A
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
77
primeira refere-se a fixação direta de algumas moléculas d’água e constitui uma reação de
hidratação propriamente dita. A segunda é uma reação chamada hidrólise, em que diversos
íons são liberados pelas diferentes fases (Gomes, 2005).
Melo (2000, apud Gomes, 2005) relata que o início da hidrólise ocorre15 segundos após o
início da hidratação, dando origem aos primeiros íons em solução. Segundo Aïtcin (2000,
apud Gomes, 2005), neste estágio os primeiros hidratos são formados, recobrindo a superfície
das partículas de cimento, sendo eles, o silicato de cálcio (C-S-H) formado pelos íons Ca
+2
,
H
2
SiO
4
-2
e OH
-
, e a etringita (trissulfoaluminato de cálcio hidratado), formada pela
combinação dos íons Ca
+2
, AlO
2
-
, SO
4
-2
e OH
-
.
Segundo Odler (1998, apud Pereira, 2004) o processo é espontâneo após o contato com a água
e promove a libertação de calor em conseqüência das reações que ocorrem. O progresso da
hidratação e a sua cinética são influenciados por uma diversidade de fatores:
a) a composição das fases e a presença de átomos estranhos na rede cristalina de
cada uma das fases;
b) a granulometria do cimento, nomeadamente a distribuição do tamanho de
partícula e área superficial das partículas;
c) a relação a/c utilizada;
d) a temperatura de cura, ou seja, a temperatura a que a reação progride;
e) a presença de aditivos químicos em pequenas quantidades;
f) e a presença de outros aditivos, em principio inertes, em quantidades
significativas.
Na Figura 2.19 são apresentadas as curvas que caracterizam o comportamento cinético da
hidratação do Cimento Portland, quer quanto à taxa de consumo das fases presentes no
clínquer Portland, Figura 2.19a, quer quanto à taxa de formação dos produtos da hidratação
Figura 2.19b.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
78
(fonte: Odler, 1998 apud Pereira 2004).
Figura 2.19 – Curvas referentes à cinética da hidratação do cimento
portland: a) consumo das fases presentes no clínquer Portland; b)
formação dos produtos de hidratação.
A hidratação da pasta de cimento Portland à temperatura ambiente é caracterizada, tal como a
hidratação dos silicatos de cálcio, por vários estágios, com as mesmas designações. São elas:
a) Pré-Indução.
Este estágio tem a duração de apenas alguns minutos. Após o contato do cimento com a água,
desenrola-se uma rápida dissolução das espécies iônicas e inicia-se a formação de compostos
hidratados. Os sulfatos de metais alcalinos presentes’
., sódio e potássio, dissolvem-se em segundos, contribuindo com íons K
+
, Na
+
e SO
4
2-
para a
solução. O gesso contribui também com uma quantidade adicional de íons SO
4
2-
e com íons
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
79
Ca
2+
. O C
3
S inicia também a sua dissolução congruente e uma fase C-S-H começa a precipitar
à superfície das partículas de cimento. Esta precipitação é acompanhada pelo aumento em
solução de íons Ca
2+
e OH
−
,
uma vez que a fase C-S-H tem uma menor razão molar CaO/SiO
2
que a encontrada no C
3
S, embora para concentrações muito baixas, os íons silicato passem
também para a fase líquida. A fração de C
3
S que hidrata neste estágio situa-se entre os 2 e
10% (Odler, 1998 apud. Pereira, 2004).
O C
3
A dissolve e começa a reagir com os íons Ca
2+
e SO
4
2-
que se encontram em solução
para dar origem à etringita (a fase AFt), que precipita também à superfície das partículas de
cimento. A fração de C
3
A que reage neste estágio é muito variável conforme o tipo de
cimento Portland considerado, situando-se entre os 5 e 25% (Odler, 1998 apud. Pereira,
2004). Tal como para os íons silicato, também a concentração de íons alumínio se mantém
baixa. A fase ferrítica reage de forma semelhante ao C
3
A, dando também origem à fase AFt.
No que diz respeito ao βC
2
S, somente uma fração muito diminuta deste reage durante este
estágio, fazendo com que a sua contribuição, quer para a formação da fase C-S-H quer para o
aumento da concentração dos ions Ca
2+
e OH, seja baixa. Esta rápida hidratação inicial é
então travada por ação da deposição de uma camada de produtos hidratados na superfície das
partículas de cimento, que atua como barreira entre o material não hidratado e a solução.
b) Indução
Depois da rápida velocidade de hidratação desenvolvida nos primeiros minutos após contato
com a água, surge um período de aparente adormecimento. Embora as reações de cada uma
das fases não parem, estas evoluem a uma velocidade muito diminuta. Os mecanismos e as
razões pelas quais tal fato acontece são os indicados nos mecanismos de reação descritos
anteriormente para a reação individual de cada uma das fases que compõem o cimento
Portland. Durante este estágio, a concentração de hidróxido de cálcio em solução atinge o seu
máximo e começa a decrescer. Contrariamente, a concentração de SO
4
2
-
em solução mantém-
se constante durante este período, já que a fração consumida para formação da fase AFt vai
sendo reposta pela dissolução de mais C-S-H
2
. Após algumas horas, tempo de duração deste
estágio, a reação de hidratação acelera novamente dando-se inicio ao estágio seguinte.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
80
c) Aceleração
Este estágio ocorre, normalmente, entre as 3 e as 12 horas (Odler, 1998 apud. Pereira, 2004)
após a mistura com a água. Este estágio inicia-se com o reacender da velocidade de reação de
hidratação. A justificativa mais provável para esta modificação é o crescimento, por um
mecanismo de nucleação, de uma segunda fase C-S-H no seio da solução (mecanismo
anteriormente descrito para o caso do C
3
S). Neste estágio, a hidratação do C
2
S começa a ter
um desenvolvimento já considerável. A concentração de Ca
2+
decresce, e é gradualmente
acompanhada pela precipitação de CH na forma cristalina – Portlandita. A concentração de
ions SO
4
2
-
em solução começa a decrescer devido à formação da fase AFt à adsorção de ions
SO
4
2-
à superfície da fase C-S-H formada. O processo que ocorre neste estágio é controlado
por nucleação.
d) Desaceleração
Neste estágio a velocidade de reação vai diminuindo gradualmente à medida que diminui a
quantidade de material não hidratado. A reação passa a ser controlada por difusão. A fase C-
S-H continua a formar-se por contribuição do C
3
S, e do C
2
S. A contribuição deste último,
neste estágio, é mais significativa, e vai aumentando com o tempo. O fornecimento de CSH
2
acaba por se esgotar, conduzindo ao declínio da concentração de SO
4
2-
em solução. Por
ausência de íons SO
4
2−
,
a fase AFt, formada nos estágios iniciais da reação, começa a reagir
com o C
3
A e a fase ferrítica para dar origem à fase AFm.
e) Características típicas da reação de hidratação do cimento Portland.
É essencial que a relação a/c seja o suficiente para que praticamente todo o cimento seja
hidratado. Após o processo de hidratação estar completo é possível que ocorra o
envelhecimento do material. Este fenômeno é caracterizado pela ocorrência de
policondensação de tetraedros de SiO
4
e por um aumento do comprimento da cadeia de SiO
4
na fase C-S-H formada.
Ao fim de 28 dias praticamente todo o C
3
S terá sido consumido. No entanto, a sua reatividade
varia, sendo a quantidade e o tipo de íons estranhos incorporados na sua rede cristalina, e a
forma como foram produzidos, os principais fatores que determinam uma maior ou menor
reatividade (Odler, 1998 apud. Pereira, 2004). O βC
2
S reage mais lentamente do que a
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
81
quantidade de βC
2
S hidratada ao fim do mesmo espaço de tempo, o que é muito menor,
quando comparada com a de C
3
S (Odler, 1998 apud. Pereira, 2004). Nesta altura também uma
parte significativa do C
3
A foi já consumida. Por isso, os 28 dias após a mistura com água é
um tempo importante e de referência no desenvolvimento das reações de hidratação do
cimento Portland, determinante de muitas das propriedades mecânicas da pasta. A reação
entre as partículas de cimento e a água ocorre com a libertação de calor. Este processo
exotérmico pode ser descrito por curvas como a da Figura 2.20.
Figura 2.20 – Curva típica do desenvolvimento de calor de hidratação
de cimento Portland (Odler, 1998 apud Pereira 2004).
Na Figura 2.20 os picos assinalados correspondem a:
a) pico 1, dissolução do sulfato de potássio (K
2
SO
4
);
b) pico 2, estágio inicial da reação;
c) pico 3, período de indução;
d)
pico 4, formação da fase C-S-H;
e)
pico 5, formação da fase AFt; e
f)
pico 6, conversão da fase AFt na fase Afm (Odler, 1998).
A resistência mecânica final apresentada pelas pastas já endurecidas de cimento é devida à
presença de uma rede tridimensional continua de fases hidratadas. A Figura 2.20 exemplifica
o desenvolvimento da microestrutura da pasta de cimento durante o processo de hidratação.
A Figura 2.21a representa a pasta de cimento imediatamente após a mistura da água com o
cimento. As partículas de cimento encontram-se dispersas no meio aquoso, quer
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
82
individualmente, quer sob a forma de flocos. O espaçamento entre as partículas depende da
relação a/c utilizado. Na Figura 2.21b está já representada a formação da fase C-S-H, o seu
emaranhamento e a presença dos cristais de Portlandita. No final do período de Indução, que
corresponde aproximadamente ao início de pega, a etringita das partículas adjacentes começa
a interferir e dá-se a formação de partículas de C-S-H com aspecto de “papel de prata” e de
forma alongada. Ao fim de 2 ou 3 dias, situação representada pela Figura 2.21c, a pasta já
possui uma maior resistência devido a maior densidade dos silicatos de cálcio hidratados que
se vão formando. Continua a formação de cristais de Portlandita. A Figura 2.21d corresponde
a uma pasta endurecida onde se podem ver produtos de hidratação de maior densidade,
cristais de Portlandita, resíduos de partículas de cimento não hidratadas e espaços vazios que
ficam na estrutura. (Coutinho, 2002).
A Figura 2.22 representa esquematicamente o desenvolvimento micro-estrutural na superfície
de um grão de cimento durante as reações de hidratação, evidenciando todas as
transformações que ocorrem e que foram já descritas ao longo do texto.
Figura 2.21 – Esquema do desenvolvimento da microestrutura da
pasta de cimento durante a hidratação (Coutinho, 2002).
cristais de hidróxido de cácio
cristais de hidróxido de cáciocristais de hidróxido de cácio
cristais de hidróxido de cácio
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
83
Figura 2.22 – Desenvolvimento micro-estrutural de um grão de
cimento durante a hidratação (Coutinho, 2002).
A quantidade total de calor liberado e as taxas de liberação de calor pela hidratação dos
compostos individuais também podem ser usadas como índices de suas reatividades. Os dados
de estudos de calor de hidratação podem ser usados para caracterizar o comportamento de
pega e endurecimento do cimento e para prever a elevação da temperatura (Associação
Brasileira de Cimento Portland, 2002).
Usando um calorímetro de condução, é possível registrar a taxa de evolução de calor das
pastas de cimento durante a pega e o período inicial de endurecimento.
2.4.1.2 Deterioração por reações químicas
A resistência do cimento a processos destrutivos iniciados por reações químicas envolve
geralmente, mas não necessariamente, interações químicas entre agentes agressivos, presentes
no meio externo e os constituintes da pasta de cimento.
Entre as exceções, estão as reações álcali-agregados que ocorrem entre os álcalis na pasta de
cimento e certos materiais reativos quando presentes no agregado, hidratação retardada do
CaO e MgO cristalinos, se presentes em quantidades excessivas no cimento Portland.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
84
Em uma pasta de cimento Portland bem hidratada, a fase sólida, que é composta
principalmente de hidratos de cálcio relativamente insolúveis (tais como C-S-H, C-H e C-A-
S-H), encontra-se em um estado de equilíbrio estável com fluido nos poros com alto pH.
Grandes concentrações de íons de Na
+
, K
+
, e OH
-
são responsáveis pelo alto valor do pH, de
12,5 a 13,5, do fluido nos poros das pastas de cimento Portland. É óbvio que um concreto de
cimento Portland estaria em um estado de desequilíbrio químico quando entrasse em contato
com um meio ácido.
Teoricamente, qualquer meio com pH menor que 12,5 pode ser qualificado como agressivo
porque a redução de alcalinidade do fluido dos poros levaria, no final, a uma desestabilização
dos produtos cimentíceos de hidratação. Portanto, do ponto de vista do concreto de cimento
Portland, a maioria das águas industriais e naturais pode ser classificada como agressiva.
Entretanto, a taxa de ataque químico ao concreto será função do pH do fluido agressivo e da
condutividade hidráulica do concreto. Quando a condutividade hidráulica do concreto é baixa e
o pH da água agressiva é superior a 6, a taxa de ataque químico é considerada muito baixa para
causar preocupação. CO
2
livre em água pura e água estagnadas, íons ácidos como SO
4
2-
e Cl
-
em águas subterrâneas e águas do mar e H
+
em algumas águas industriais são freqüentemente
responsáveis pela diminuição do pH abaixo de 6, que é considerado nocivo ao concreto de
cimento Portland e, também de uma pasta onde um dos componentes seja o cimento.
2.4.1.3 Reações químicas envolvidas no ataque por sulfatos
O hidróxido de cálcio e as fases portadoras de alumina do cimento Portland hidratado são
mais vulneráveis ao ataque pelos íons sulfato. Na hidratação, cimentos Portland com mais de
5% de C
3
A potencial conterão a maior parte de alumina sob a forma de monossulfato
hidratado, C
3
A.CS.H
18
. Se o conteúdo de C
3
A do cimento é maior que 8%, os produtos de
hidratação também conterão C
3
A.CH.H
18
. Na presença de hidróxido de cálcio em pastas de
cimento de Portland, quando a pasta de cimento entra em contato com íons sulfato, ambos os
hidratos contendo alumina são convertidos à forma altamente sulfatada (etringita,
C
3
A.3CS.H
32
,) conforme apresentado na equação 2.12 (Mehta & Monteiro, 1994):
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
85
C
3
A.CS.H
18
+ 2CH + 2S + 12H C
3
A.3CS.H
32
C
3
A.CH.H
18
+ 2CH + 3S + 11H C
3
A.3CS.H
32
Equação 2.12
Há uma concordância geral de que as expansões no concreto relacionadas ao sulfato são
associadas à etringita, entretanto os mecanismos pelos quais a formação da etringita causa
expansão são ainda um ponto de controvérsia. O esforço da pressão causada pelo crescimento
dos cristais da etringita e a expansão devida à adsorção de água em meio alcalino pela etringita
pouco cristalina, são duas das várias hipóteses apoiadas pela maioria dos pesquisadores.
A formação de gipsita como resultado de reações por troca de cátions também é capaz de
causar expansão. Entretanto, foi observado que a deterioração da pasta de cimento Portland
endurecida pela formação de gipsita passa por um processo que leva à redução de rigidez e
resistência; este é seguido por expansão e fissuração, e transformação final do material em
uma massa pastosa ou não coesiva. Dependendo do tipo de cátion presente na solução de
sulfato (Na
+
ou Mg
2+
), tanto o hidróxido de cálcio como o C-S-H da pasta de cimento
Portland, pode ser convertido em gipsita pelo ataque do sulfato.
NaSO
4
+ Ca(OH)
2
+ 2H
2
O CaSO
4
.2H
2
O + 2NaOH Equação 2.13
MgSO
4
+ Ca(OH)
2
+ 2H2O CaSO
4
.H
2
O + Mg(OH)
2
3MgSO
4
+ 3CaO.2SiO
2
.3H
2
O + 8H
2
O 3(CaSO
4
.2H
2
O) + Mg(OH)
2
+ 2SiO
2
.H
2
O
No primeiro caso (ataque por sulfato de sódio), a formação do hidróxido de sódio como um
subproduto da reação assegura a continuidade da alcalinidade do sistema, que é essencial para a
estabilidade da principal fase cimentícea (C-S-H). Por outro lado, no segundo caso (ataque por
sulfato de magnésio) a conversão do hidróxido de magnésio relativamente insolúvel e pouco
alcalino, assim, a estabilidade do C-S-H no sistema é reduzida e ele também é atacado pela
solução de sulfato. O ataque por sulfato de magnésio é, portanto, mais severo no concreto.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
86
Cimento Portland contendo menos que 5 por cento de C
3
A (ASTM-Tipo V correspondente ao
cimento Portland CPI RS na especificação brasileira) é suficientemente resistente ao sulfato
sob condições moderadas de ataque por sulfato. Entretanto quando estão envolvidas altas
concentrações, na ordem de 1500 mg/l ou mais (que estão normalmente associadas à presença
de cátions de magnésio e álcalis) o cimento Portland Tipo V pode ser eficaz contra as reações
por troca de cátions envolvendo a formação de gipsita, especialmente se o conteúdo de C
3
S do
cimento for alto. Sob essas condições, a experiência mostra que cimentos contendo
potencialmente pouco ou nenhum hidróxido de cálcio, sendo constituído de pozolana e
apresentando teor de C
3
A abaixo de 5%, na hidratação tem um desempenho muito melhor
(Mehta & Monteiro, 1994).
Com base em normas desenvolvidas originalmente pelo U.S. Bureau of Reclamation, a
exposição ao sulfato é classificada em quatro graus de severidade no ACI Building Code 318-
8348, que contém os seguintes requisitos:
a) Ataque negligenciável
: Quando o conteúdo de sulfato está abaixo de 0,1 % no
solo, ou abaixo de 150 ppm (mg/l) na água, não deve haver restrição quanto ao
tipo de cimento e relação água/cimento;
b) Ataque moderado: Quando o conteúdo de sulfato no solo é de 0,1 a 0,2 %, ou
150 a 1500 ppm na água, devem ser usados o cimento Portland Tipo II ASTM 49,
ou cimento pozolânico ou cimento Portland com escória, com uma relação
água/cimento menor que 0,5 para concreto de peso normal;
c) Ataque severo: Quando o conteúdo de sulfato no solo é de 0,2 a 2,00 % ou
1500 a 10000 ppm na água, deve ser usado o cimento Portland Tipo V ASTM,
com uma relação água/cimento menor que 0,45;
d) Ataque muito severo: Quando o conteúdo de sulfato no solo está acima de 2
por cento, ou acima de 10000 ppm na água, deve ser usado o cimento Tipo V
ASTM com adição pozolânica, com relação água/cimento menor que 0,5. Para
concreto com agregado leve, o ACI Building Code especifica uma resistência
mínima à compressão aos 28 dias de 29 MPa para condições de ataque de sulfatos
severo ou muito severo.
De posse dessa informação torna-se possível classificar o tipo de ataque sofrido pelo cimento
constituinte da mistura SCB sob percolação de ácido sulfúrico como muito severo visto que a
concentração utilizada foi 92000mg/l (ou 5%).
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
87
2.4.1.4 Reações entre pasta de cimento e materiais agregados
Embora essa referência bibliográfica se detenha no concreto, quando tratamos da mistura
SCB, o solo nada mais é do que um agregado, daí a possibilidade de se aproveitar os
conhecimentos relativos ao concreto construído também de cimento e agregados.
As possíveis reações de interface entre a pasta de cimento e os vários materiais derivados de
rochas são de grande importância para o uso normal do cimento em argamassa e concreto.
Tais reações, as também chamadas reações agregado-alcalinas são talvez mais conhecidas
devido ao visível prejuízo que estas podem originar. Entretanto, dificilmente algum silicato ou
carbonato comumente usado como agregado é completamente inerte em relação à fase líquida
da pasta de cimento. Isto foi demonstrado por testes mecânicos em que alguns tipos de
interação ocorreram nos limites, entre a pasta de cimento e as várias rochas. Até a década de
60, a técnica de microscopia eletrônica era a mais adequada para o estudo dos aspectos
microestruturais destes fenômenos de interação (Taylor, 1964).
As matérias-primas usadas na manufatura do cimento Portland respondem pela presença de
álcalis no cimento, tipicamente na faixa de 0,2 a 1,5 por cento de Na
2
O. Dependendo do
conteúdo de álcalis de um cimento, o pH do fluido dos poros em concretos normais é
geralmente de 12,5 a 13,5. Este pH representa um líquido cáustico ou fortemente alcalino no
qual algumas rochas ácidas (agregados compostos de sílica e minerais silicosos) não
permanecem estáveis sob exposição prolongada (Mehta & Monteiro, 1994).
Com relação a agregados reativos a àlcalis, dependendo do tempo, temperatura e tamanho da
partícula, todos os silicatos ou minerais de sílica, bem como sílica hidratada (opala) ou amorfa
(obsidiana, vidro de sílica), podem reagir com soluções alcalinas, embora um grande número
de minerais reaja apenas em um grau insignificante. Feldspatos, piroxênios, anfobólios, micas
e quartzos, que são os minerais constituintes dos granitos, gnaisses, xistos e basaltos, são
classificados como minerais não reativos.
Daí a importância de verificar as reações que podem ter ocorrido entre o cimento e o SRAB,
através dos produtos formados, reações essas que podem ter influído nos valores dos
coeficientes de condutividade hidráulica obtidos. A determinação do que ocorreu pôde ser
obtida por Microscopia Eletrônica de Varredura e por Difração de raios-x, considerando a
formação de novas estruturas cristalinas.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
88
De acordo com Taylor (1997, apud Hasparyk, 2005), a deterioração devida à reação álcali-
agregado pode ocorrer em questão de dias, ou apenas após anos; já Poole (1992, apud
Hasparyk, 2005) comenta que a reação normalmente leva de 5 a 12 anos para se desenvolver.
Biczok (1972, apud Hasparyk, 2005) apresenta um caso de extremas expansões e fissuração
após sete anos de construção (SE Jutlandia). O tempo necessário para causar indícios da
reação álcali-agregado ou danos em uma estrutura depende muito de vários fatores,
destacando o tipo e proporcionamento dos agregados, o teor de álcalis do cimento, a
composição do gel (produto da reação formado), a temperatura, a umidade entre outros fatores
(Biczok, 1972; Diamond, 1975; Kihara, 1986; Hobbs, 1988; Bulletin 79, 1991; Poole, 1992,
apud Hasparyk, 2005). Ressalta-se que as principais causas da instalação da reação álcali-
agregado são: a presença, no agregado, de minerais reativos e álcalis no cimento, entretanto,
influências externas como a umidade e temperatura são condicionantes do processo deletério
(Biczok, 1972, Hobbs, 1988, Diamond, 1989; Taylor, 1997, apud Hasparyk, 2005).
2.4.1.5 Condutividade hidráulica da Pasta de cimento
Em uma pasta endurecida de cimento, o tamanho e continuidade dos poros a qualquer ponto
durante o processo de hidratação irão controlar o coeficiente de condutividade hidráulica. A
água adicionada é indiretamente responsável pela condutividade hidráulica da pasta
endurecida de cimento porque o seu teor determina primeiramente o espaço total e, após, o
espaço vazio, depois que a água for consumida pelas reações de hidratação do cimento ou
evaporação para o ambiente. O coeficiente de condutividade hidráulica da pasta de cimento
recém misturada é da ordem de 10
-4
a 10
-5
cm/s; com o progresso da hidratação, à medida que
a porosidade capilar decai, também diminui o coeficiente de condutividade hidráulica, mas
não há proporcionalidade direta entre os dois. Por exemplo, quando a porosidade capilar
diminui de 40 para 30%, o coeficiente de condutividade hidráulica cai em uma proporção
muito maior. Entretanto, um decréscimo adicional na porosidade de 30 para 20 por cento
geraria apenas uma pequena queda na condutividade hidráulica. Isto acontece porque, no
início, à medida que o processo de hidratação do cimento progride mesmo um pequeno
decréscimo na porosidade capilar total é associada com considerável segmentação de grandes
poros, reduzindo grandemente, portanto, o tamanho e o número de canais de fluxo na pasta de
cimento. Tipicamente, em torno de 30 por cento de porosidade capilar representa um ponto
em que as interconexões entre os poros já se tornaram tão tortuosas que um decréscimo
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
89
adicional na porosidade da pasta não é acompanhada por um decréscimo substancial no
coeficiente de condutividade hidráulica (Mehta & Monteiro, 1994).
Em geral, quando a relação água/cimento é alta e o grau de hidratação é baixo, a pasta de
cimento terá alta porosidade capilar; ela conterá um número relativamente elevado de poros
grandes e bem conectados e, portanto, o seu coeficiente de condutividade hidráulica será alto.
À medida que a hidratação progride, a maioria dos poros será reduzida a um pequeno
tamanho (100 mm ou menos) e também perderão as suas interconexões; deste modo, a
condutividade hidráulica diminui. O coeficiente de condutividade hidráulica da pasta de
cimento, quando a maioria dos vazios capilares é pequena e não interconectados, é da ordem
de 10
-12
cm/s. Observa-se que em pastas normais de cimento a descontinuidade na rede capilar
é geralmente alcançada quando a porosidade capilar está em torno de 30 por cento. Em pastas
com a relação água/cimento de 0,4; 0,5; 0,6 e 0,7 isso geralmente ocorre em 3, 14, 180 e 365
dias de cura úmida, respectivamente.
2.4.2 Bentonita
Sendo a bentonita sódica um tipo de argila, é fundamental ter conhecimento de sua
procedência, de algumas de suas características e propriedades específicas a fim de melhor
compreender o desempenho das misturas SB e SCB para material de preenchimento de
barreiras hidráulicas verticais.
As argilas são agregadas em pacotes laminares como um baralho de cartas. Cada lâmina mede
10Å, ou seja, cada milímetro comporta 1 milhão lâminas. Se pudessem ser espalhadas, uma
ao lado da outra, as lâminas presentes em 1 g de argila ocupariam área de 750 m². Ao
entrarem em contato com água, os pacotes de argila vão se separando à medida que a água
penetra entre as camadas. Este efeito é chamado de dispersão – a separação das lâminas
aumenta sua área de superfície exposta com as cargas atraindo as moléculas de água criando o
efeito gel. Na fig 2.22 verifica-se a configuração de uma lâmina de montmorilonita. Ainda na
mesma Figura, observa-se o efeito baralho de cartas, arranjo espacial da esmectita hidratada,
importante na formação do reboco e controle de filtrações dos fluidos de perfuração nas obras
de estaqueamento em solos argilosos, por exemplo.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
90
(Fonte: Pereira, 2005).
Figura 2.23 - Esquema do arranjo entre partículas de argila
Segundo Santos (1975), a bentonita é uma argila de granulação muito fina. Composta por
minerais do grupo da montmorilonita. A maioria dos depósitos é considerada como tendo sido
formada pela alteração das partículas vítreas da cinza vulcânica ácida. As bentonitas são
caracterizadas por um brilho semelhante ao de cera ou de pérolas e por um tato untuoso.
Algumas bentonitas incham naturalmente pela absorção de água, outras não incham e outras
apresentem grau intermediário de inchamento (metabentonitas). O termo “bentonita”, no
Brasil, tem sido usado de modo um pouco vago, pois misturas de argilas cauliníticas,
montmoriloníticas e ilíticas não são necessariamente bentonitas: as argilas verdes e vermelhas
do vale do Paraíba têm sido denominadas argilas bentoníticas, porém não são bentonitas. Já
foram assinaladas pequenas ocorrências de bentonita verdadeira na região de Ponte Alta,
próximo a Uberaba (MG). Pequenas ocorrências, sem valor comercial, foram assinaladas em
jazidas de caulim provenientes da decomposição de pegmatiticos, por exemplo, em Perus e no
Sacomã, nas vizinhanças da cidade de São Paulo: estas últimas ocorrências recebem o nome
de “Cera de Montanha”. As montmoriloníticas das regiões de Sacramento, Carmo da Paraíba
e Pará de Minas (MG) e de Boa Vista (PB) ainda não foram provadas se originarem de cinzas
vulcânicas para serem denominadas bentonitas.
As esmectitas minerais constituintes das bentonitas caracterizam-se por apresentarem, dentro
de sua estrutura cristalina, o alumínio (Al) substituído parcial ou totalmente por outros
cátions, fenômeno que origina um excesso de carga negativa nas superfícies das unidades
estruturais, além de apresentarem ligações quebradas nas extremidades que também deverão
ser compensadas por cátions (Lagdy, 1981, apud Leon 2002). Esses cátions de compensação,
adsorvidos na superfície das partículas, podem ser trocados por outros cátions, conferindo a
estes argilo-minerais a propriedade de troca catiônica, semelhante às zeolitas naturais, Sendo
10 -12 Å
Sílica
Alumina
Sílica
2µ
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
91
assim, as bentonitas têm sido empregadas no tratamento de efluentes dando a esta
particularidade, mas por sua pouca capacidade de acumulação de íons metálicos, têm limitado
sua maior aplicabilidade (Leon, 2002).
2.4.2.1 Troca catiônica e reatividade das argilas
A capacidade da argila em trocar cátions, a área de superfície das placas e a quantidade de
água adsorvida refletem sua reatividade, sendo os dois últimos dados físicos. O primeiro é o
dado químico que pode ser medido e indica com precisão a presença das esmectitas nas
formações perfuradas ou no próprio fluido. A capacidade de troca catiônica da esmectita é 10
vezes maior que das outras, em média. O melhor exemplo de troca catiônica nas argilas é a
substituição de Mg
+2
por Al
+3
nas montmorilonitas (Figura 2.24). A troca deixa elétrons
excedentes, ou seja, cargas negativas das superfícies das lâminas (Figura 2.25). Estas são
compensadas por cátions adsorvidos que unirão as placas em grandes pilhas. Os cátions
podem ser monovalentes como o Na
+
ou bivalentes como o Ca
+2
e o Mg
+2
(Figura 2.25).
Desta forma, a montmorilonita pode ser cálcica ou sódica. Muitas outras substituições são
possíveis, denotando estruturas minerais específicas que ao lado das montmorilonitas
constituirão o grupo das esmectitas. Este grupo inclui também sapronita, nontronita, hectorita,
e outras.
(fonte: Pereira, 2005).
Figura 2.24 – Troca catiônica entre partículas de argila
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
92
(fonte: Pereira, 2005).
Figura 2.25 – Comparação de inchamento entre montmorilonita de
cálcio e sódio
2.4.2.2 Hidratação das argilas
O cristal de montmorilonita consiste de 3 camadas: alumina sobreposta e sotoposta por sílica
como se fosse um sanduíche. Se a superfície negativa da placa está associada a uma nuvem de
cátions, a extremidade ou aresta possui cargas positivas expostas, resultantes de rupturas da
estrutura cristalina do mineral (tendência de ir se quebrando em plaquetas menores). O espaço
intercamadas, dependendo do cátion presente, será de 9,8 Å (Na
+
) ou 12,1 Å (Ca
+2
),
preenchido com moléculas de água firmemente aderidas. Em contato com a água doce, esta
por sua natureza bipolar invade o espaço intercamadas, que expande com a argila adsorvendo
grandes porções de água. A dispersão resultante gera o que nós conhecemos como
viscosidade. A expansão nas montmorilonitas de cálcio chega a 17 Å e nas montmorilonitas
sódio, a 40 Å, isto é, a primeira incha 4 vezes menos que a segunda (fig. 2.14). A força de
atração intercamadas exercida pelo Ca
+2
é 4 vezes maior que o Na
+
e impede a penetração de
maior quantidade de água. Este fato resulta em viscosidades 4 vezes maiores das bentonitas
sódicas em relação às bentonitas cálcicas. A bentonita naturalmente sódica mais conhecida do
mundo é a de Wyoming, originária dos EUA. A bentonita brasileira extraída no Estado da
Paraíba tem natureza cálcica. Para corrigi-la e transformá-la em sódica, os fabricantes de
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
93
bentonita para perfuração ativam-na com carbonato de sódio (Na
2
CO
3
). Ao ser hidratada, o
cálcio precipita na forma de CaCO
3
e o sódio (Na) passa a ocupar seu lugar, permitindo o
inchamento necessário.
A esmectita é muito mais reativa que ilita e clorita, mais ainda que caulinita.
Conseqüentemente, formações argilosas contendo esmectita vão ser sensíveis à presença de
água. Muitas destas formações contêm variados tipos e quantidades de argilas. Quanto maior
a presença de esmectita, maior a reatividade. Daí a importância de verificar a existência
desses argilominerais nas amostras de bentonita contaminadas. Assim será possível saber se
os argilominerais foram dissolvidos pelos contaminantes utilizados nessa Pesquisa mediante a
análise por difratometria de raios-x. A dissolução poderia implicar no aumento do volume de
vazios, tornando a mistura mais porosa.
2.4.2.3 Influência dos cátions sobre a hidratação das argilas
O conhecimento da influência dos cátions sobre a hidratação das argilas é necessário para que
se tenha idéia da influência no líquido percolante sob a bentonita sódica (argila), na execução
do ensaio de condutividade hidráulica, visto que, temos os cátions H
+
(pertencente ao ácido
sulfúrico - H
2
SO
4
) e Na
+
(pertencente à soda cáustica – NaOH) interagindo com a mesma.
A capacidade de substituição de um cátion pelo outro pode ser colocada na seguinte ordem:
H
+
> Al
+3
> Ca
+2
> Mg
+2
> K
+
> NH
+4
> Na
+
> Li
+
.
Esta ordem pode ser alterada dependendo da disponibilidade de cátions no momento da
reação. Se houver muito mais K
+
que Ca
+2
, o primeiro terá a preferência na substituição.
Como já foi mencionado, os cátions servem como ligas para agregar as placas dos argilo-
minerais. Entretanto, dependendo de sua valência, podem reduzir a viscosidade quando esta é
objetivada. O item anterior citou o exemplo do Na e Ca, estabelecendo uma tendência de
quanto maior a valência maior a atração entre as placas e menor a viscosidade resultante da
hidratação, exceto o Potássio.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
94
2.4.2.4 Tipos de ligações entre placas de argilas
Os cristais de argila podem associar-se de diferentes formas. Isto vai influir na qualidade e
eficiência da mistura quando percolada por determinado fluido, nos ensaios de condutividade
hidráulica. Esses líquidos poderão incorporar partículas de argilas durante a sua passagem
pela mistura e, estas partículas podem arranjar-se em agregação, dispersão, floculação e
defloculação, como está esquematizado na Figura 2.26. Pode-se, inclusive, ter vários tipos de
associação ao mesmo tempo, com um estado predominante. Na seqüência são apresentadas as
formas de ligação que podem ocorrer entre as partículas argilosas (ver Figura 2.26), são elas:
a) agregação
(face contra face, empilhadas): estado natural da argila seca, pode ser
causada após a hidratação pela contaminação do fluido com cátions multivalentes,
tal como o Ca
+2
proveniente de calcários, cimento, gipso ou anidritas. Depois de
um aumento inicial de viscosidade, esta decrescerá até o valor original mais baixo;
b) dispersão
: efeito contrário da agregação e estado pretendido para o fluido, é
recomendado para viscosidades elevadas. Depende principalmente da quantidade
de cargas das argilas;
c) floculação
: arranjos face contra aresta e/ou aresta contra aresta das placas,
semelhante a um castelo de cartas. Eletrólitos, uni ou multivalentes, contaminam o
fluido, reduzindo as forças repelentes entre as placas e a película de água aderida.
O resultado disto é a gelificação de porções do fluido, com elevação abrupta de
viscosidade, espessura de reboco e volume de filtrado. Pode ocorrer também por
altas temperaturas e
d) defloculação
: correção do processo de floculação pela adição de dispersantes
químicos que irão neutralizar as cargas insatisfeitas resultantes. O fluido irá afinar
com conjuntos de partículas agregadas dispersadas.
(fonte: Pereira, 2005).
Figura 2.26 - Tipos de ligações entre placas de argilas
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
95
No estudo do comportamento das misturas solo-bentonita e solo-cimento-bentonita mediante
percolação de ácido sulfúrico, soda cáustica e água destilada, a floculação e defloculação são
fenômenos que devem ser mais detalhados a fim de melhor compreender os resultados
obtidos.
2.4.2.4.1 Floculação e defloculação
Quando a suspensão se encontra completamente floculada, os flocos de partículas tendem a
formar agregados que se ligam e originam uma estrutura aberta que se pode estender a toda
suspensão (Figura 2.27). Quando isso ocorre numa suspensão de partículas lamelares (como
as partículas argilosas) podem ocorrer três tipos de agregação entre as partículas (Figura
2.28):
a) face-face (ff);
b) bordo-face (bf) e
c) bordo-bordo (bb).
A velocidade de floculação de uma suspensão depende da freqüência com que as partículas
chocam umas com as outras e da probabilidade de terem energia térmica necessária para
vencerem a barreira de energia potencial repulsiva.
Figura 2.27 – Estrutura de flocos
Quando a suspensão se encontra completamente desfloculada, as partículas depositam-se
individualmente (Figura 2.29a). Ao fim de um tempo mais ou menos elevado forma-se um
sedimento denso a que se sobrepõe um líquido turvo contendo ainda partículas finas (Figura
2.29b). Pode, eventualmente, acontecer que estas se depositem após um tempo mais ou menos
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
96
longo. No caso de suspensões completamente desfloculadas, o sedimento compacto é de
difícil redispersão.
Figura 2.28 – Diferentes tipos de associação de partículas lamelares em suspensões argilosas.
(a) floculação BF (b) floculação BB; (c) agregação FF com floculação BF; (d) agregação FF
com floculação BB; (e) agregação FF com floculação BF e BB.
(a) (b)
Figura 2.29 – Suspensão defloculada.
A bentonita sódica, como componente do material de preenchimento, tem relação direta com
o desempenho da mistura SB e SCB, na constituição de barreiras hidráulicas verticais, e sua
caracterização e análise em profundidade forneceu importantes informações que permitiram
explicar o comportamento das misturas mediante contaminação.
Outros autores estudaram a bentonita detalhadamente. Stropper et al. (2004) estudaram
bentonitas da Formação Yguary (Formação Rio do Rastro) em Melo, Uruguai. Na
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
97
caracterização, verificaram a presença de cristais de feldspatos autigênicos e mica detrítica,
caracterizando-os posteriormente por Difratometria de Raios-X e por estudos de detalhe ao
Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) com analisador EDS. O procedimento adotado
permitiu o levantamento dos minerais traços contidos na bentonita.
Foletto et al. (2003) ativaram a bentonita proveniente de Mendoza, Argentina, com H
2
SO
4
, 4
e 8 N, em 90
o
C por 2 e 3,5 horas. Sob estas circunstâncias, diversos cátions foram removidos
da folha octaedral (Magnésio, Alumínio, e Ferro) e as curvas DTA-TGA dos sólidos obtidos
após o tratamento foram modificadas. O tempo de tratamento e a concentração do ácido
aumentaram o grau de destruição da estrutura da bentonita.
Pinto et al. (2000) estudaram a influência das argilas nas propriedades de pastas de cimento
Portland, sistemas contendo bentonita sódica e vermiculita e em outros, bentonita sódica e
argila organofílicas. A pesquisa relacionada ao primeiro sistema visava obter compósitos
leves e o segundo tinha por interesse imobilizar metais pesados, na qual os complexos gerados
seriam incorporados à matriz de cimento. Para o primeiro sistema utilizou-se uma amostra de
bentonita sódica Brasgel, uma amostra de vermiculita expandida comercial e cimento
Portland comercial. Foram preparadas mais de 40 pastas, com as quais se conformaram
corpos-de-prova, vertendo as pastas em moldes plásticos. Dentre as composições que
apresentaram melhor trabalhabilidade escolheram-se 6 (uma só com cimento, 2 com cimento
e bentonita e 3 com cimento, bentonita e vermiculita) e se conformaram corpos-de-prova
cilíndricos (6 por formulação) os quais tiveram medida a sua densidade e resistência à
compressão. Obtiveram-se, para as formulações contendo argila, densidades variando entre
0,6 g/cm
3
e 1,62 g/cm
3
e valores de resistência à compressão variando entre 1,2 MPa e 33,0
MPa. Para o segundo estudo, foi utilizada uma amostra de bentonita sódica Brasgel e uma
amostra de argila organofílica comercial e cimento Portland. Foram preparadas 6 formulações
envolvendo o encapsulamento de resíduos industriais contendo Cromo, e conformados 5
corpos-de-prova cilíndricos por formulação; foram determinados, após permanência de 28
dias em câmara úmida, a densidade e a resistência à compressão. Os resultados foram
comparados com os do primeiro sistema.
Não se esgota aqui a pesquisa sobre essa matéria-prima. Todavia, têm-se os subsídios
necessários à interpretação dos dados obtidos na pesquisa desenvolvida no presente trabalho.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
98
2.4.4 Solo
A composição mineralógica, o tamanho e a distribuição das partículas do solo, os vazios e as
características dos fluidos percolantes são fatores que influenciam a condutividade hidráulica
do solo. Outro fator importante de influência na velocidade de percolação dos fluídos no solo
é a presença de matéria orgânica, a qual pode diminuir a condutividade hidráulica do solo
quando encontrada em quantidades menores e totalmente decomposta, ou pode aumentar a
condutividade hidráulica do solo quando encontrada em grande quantidade no solo e pouco
decomposta (Aguiar, 2001).
Segundo Stephens (1996, apud. Aguiar 2001) a velocidade de percolação, na zona não
saturada, varia em função das propriedades do meio poroso, das características do fluído e do
teor de umidade volumétrica do material. Quanto maior a umidade, maior a condutividade
hidráulica, pois a área útil condutora vai se tornando menor à medida que o teor de água
decresce. É, então, fácil de constatar que na zona saturada a velocidade varia somente em
função das propriedades do meio poroso e das características do fluido.
2.4.3.1 Fatores que afetam a adsorção de sulfatos
Considerando que as misturas SB e SCB foram permeadas por ácido sulfúrico cujo ânion é
um sulfato (SO
4
-2
), faz-se necessária uma abordagem sobre a influência do sulfato nos solos,
pois alguns tipos de solo têm a propriedade da adsorção. Adsorção é um processo de ligação
ou retenção de moléculas ou íons nas superfícies das partículas sólidas, principalmente
argilosas, causadas por cargas eletrônicas fracas (ligações de Wan der Walls) nessas
superfícies. A adsorção facilita trocas iônicas que podem ser de muita importância no ciclo
geoquímico dos elementos envolvidos (UNB, 2005, apud Alves, 2002).
Tendo em vista a importância do fenômeno de adsorção de sulfato, torna-se necessário
considerar os fatores que o afetam. Dentre esses fatores, podem ser citados a natureza da fase
sólida inorgânica do solo, o pH, o teor de matéria orgânica e a presença de outros íons.
Estudos realizados com minerais isolados e solos demonstram que a presença de óxidos de
ferro e alumínio intensifica a adsorção de sulfato pelo solo (Aylmore et al., 1967). Por outro
lado, essa apresenta menor expressão quando há predominância de caulinita (Aymore et al.,
1967) ou argilominerais do tipo 2:1 (Berg & Thomas, 1959) no sistema.
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
99
Em relação ao pH do solo, há um consenso de que a adsorção aumenta com a diminuição da
magnitude desse atributo eletroquímico (Ensminger, 1954; Kamprath et al, 1956, Marsh et al.,
1987, Zhang & Yu, 1997). Tal fato estaria, à primeira vista, associado ao aumento na
densidade superficial de cargas positivas decorrentes do abaixamento do pH da solução.
A influência da matéria orgânica sobre a adsorção de sulfato pode ocorrer de duas maneiras
opostas. De um lado, há a possibilidade de competição direta de ânions orgânicos por sítios de
adsorção. Em geral, a grande maioria dos trabalhos demonstra que tais íons são, via de regra,
adsorvidos preferencialmente ao sulfato pelos componentes da fase sólida (Ali & Dzombak,
1995; Kaiser & Zech, 1996; Martinez et al., 1998; Liu et al., 1999). Por outro lado, o efeito
inibidor da matéria orgânica sobre a cristalização de óxidos (Schwertmann, 1985) faz com
que haja a manutenção de formas menos cristalinas desses óxidos, que apresentam capacidade
adsortiva reconhecidamente maior que as cristalinas (Bohn et al., 1979).
A presença de outros íons pode também exercer a influência na retenção de sulfato. Bolan et
al. (1993) e Marcano-Martinez & McBride (1989) verificaram um incremento na adsorção de
sulfato por solos neozelandeses e brasileiros, respectivamente, associado à presença de cálcio;
contudo, os resultados experimentais que serviriam de suporte para a interpretação dos
mecanismos envolvidos não foram similares. Desse modo, de acordo com as considerações de
Bolan et al. (1993), o incremento na adsorção de sulfato em solos oxídicos na presença de
cálcio é devido a uma possível adsorção específica do cátion e conseqüente aumento nas
cargas positivas de superfície; já, para Marcano-Martinez & McBride (1989), a coadsorção de
Ca
2+
e SO
4
2-
em superfícies com carga líquida nula seria a responsável pela maior adsorção do
ânion verificada na presença de Ca
2+
. Agbenin (1997), por outro lado, não observou efeito da
natureza do cátion sobre a adsorção de sulfato por solos nigerianos.
Ao contrário do mencionado efeito positivo do cálcio, a competição exercida pelo fosfato é
mais bem documentada, e unânime quanto ao efeito negativo que a presença desse ânion
exerce sobre a adsorção do sulfato (Esminger, 1954; Kamprath, 1956, Bolan et al., 1988;
Geelhoed et al. 1997).
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
100
2.4.3.2 Mecanismos de adsorção de sulfato
O mecanismo de adsorção de sulfato por solos é um tema controvertido. Enquanto alguns
trabalhos destacam a adsorção eletrostática de íon, outros apresentam evidências de
ocorrência de adsorção específica. Contudo pode-se dizer que as interpretações dadas para
certos resultados de pesquisa são, na verdade, complementares (Alves, 2002).
No trabalho de Marsh et al. (1987) apud. Alves 2002, realizado com solos que continham
materiais alofânicos, foi observada uma excelente relação linear entre a quantidade de cargas
positivas de superfície e a quantidade de sulfato adsorvida. À primeira vista, esse resultado
poderia sugerir, de forma contundente, que a adsorção de sulfato consiste em um mecanismo
de atração eletrostática. Posteriormente, Zhang & Yu (1997) apud. Alves, 2002, apresentaram
um interessante conjunto de dados relativos às quantidades de sulfato adsorvidas e às
conseqüentes liberações de hidroxilas e variações da carga líquida superficial em solos
brasileiros e chineses. Com base na proporção de hidroxilas liberadas para o número de íons
SO
4
-2
adsorvidos e na variação da carga líquida para cada unidade de sulfato retido, os autores
chegaram à conclusão de que a troca de ligantes era o processo responsável pela adsorção de
sulfato naqueles solos.
Outro aspecto a ser considerado é o efeito negativo do pH sobre a adsorção de sulfato. Sabe-
se que o aumento do pH em solos com cargas variáveis, implica em uma maior manifestação
de cargas de natureza negativa, que seria responsável por uma menor adsorção eletrostática de
sulfato: contudo, ao considerar-se a troca de ligantes, há a argumentação de que grupos –OH,
quando protonados, são mais facilmente substituídos por íons sulfato e que, por essa razão, a
adsorção é mais intensa em condições mais ácidas (Zang & Yu, 1997).
Zhang & Sparks (1990) apud. Alves, 2002, ao demonstrarem, por meio da associação de
modelos de complexação de superfície e estudos de cinética de adsorção/dessorção, que suas
observações experimentais eram compatíveis com a ocorrência de interações eletrostáticas entre
os íons sulfato e uma goethita sintética; mencionaram que o aumento de pH decorrente da
adsorção de sulfato não era devido à transferência de hidroxilas da superfície para a solução em
virtude da troca das mesmas por íons sulfato, mas provenientes da hidrólise da água ou da
protonação do íon sulfato, fenômenos esses envolvidos com o mecanismo de adsorção.
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
101
2.4.3.3 Influência de substâncias cáusticas sobre o solo
Sendo as misturas estudas, constituídas de dois tipos de solo, argila e solo residual de arenito
(se tu colocas só arenito, estás te referindo à rocha), serão apresentados estudos já realizados a
cerca do comportamento dos mesmos, mediante contaminação por substâncias cáusticas.
Dentre os estudos específicos para avaliar a mudança no comportamento do solo pela
infiltração de licores cáusticos podem ser citados os trabalhos de Sudhakar e Subba Rao
(1994), D’Appolonia (1980), Kumapley e Ishola (1985), Pavilonski (1985), Lentz et al.
(1985), Simons and Reuter (1985), Ignatius e Souza Pinto (1991), Costa Junior (2001),
Jozefaciuk et al. (2002), Taubald et al. (2002), Claret et al. (2002), Kassineux et al. (2002),
Savage et al. (2002). Estes cinco últimos trabalhos têm mais ênfase na mudança nas
propriedades químicas do solo (Moncada, 2004).
Sudhakar e Subba Rao (1994) estudaram o efeito da infiltração de soda cáustica no
comportamento compressível de uma argila caulinítica. Eles trabalharam com uma solução de
40 % em massa de soda cáustica (40 gramas de NaOH em cada 100 gramas de solução), com
um pH de aproximadamente 14. Observaram, por meio de ensaios edométricos em amostras
não amolgadas, que o solo inundado com a solução apresentava uma tendência à expansão.
Eles explicam esta mudança no comportamento do solo pela ruptura das ligações de óxido de
ferro, e pela carga negativa (OH
-
) que adquirem as partículas de argila pela passagem da
solução. Por estes dois motivos as partículas tendem a afastar-se, ficando os grãos num
arranjo mais aberto. O solo que os pesquisadores estudaram provém da fundação de uma
fábrica de soda cáustica, que apresenta vazamentos de solução caustica há aproximadamente
23 anos, ou seja, eles trabalharam com um material já contaminado, e determinaram o
inchamento potencial que ainda apresentava esse solo. Nas Figuras 2.30 e 2.31 são mostrados
alguns dos resultados obtidos por estes pesquisadores, em relação à compressibilidade do
material, e do inchamento potencial.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
102
Figura 2.30 - Características de compressibilidade das amostras
ensaiadas (Sudhakar e Rao, 1994).
Figura 2.31 - Inchamento em amostras amolgadas e não amolgadas,
pela percolação de solução cáustica (Sudhakar e Rao, 1994).
Pavilonski (1985) analisou as variações do coeficiente de condutividade hidráulica de diferentes
solos submetidos à percolação de diferentes solutos, entre eles hidróxido de sódio a diferentes
concentrações. Para uma argila caulinítica, ensaiada com NaOH, ele achou uma queda da
condutividade hidráulica para uma concentração de 4%, e um aumento na condutividade
hidráulica para uma concentração de 0,4 %. Na tabela 2.5, apresentam-se os resultados obtidos
por este pesquisador para as soluções alcalinas. Nesta tabela k
max
, k
f
e k
w
correspondem,
respectivamente, as condutividades hidráulicas no licor, máxima, final e a condutividade
hidráulica, em água.
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
103
Tabela 2.5 - Variação do coeficiente de condutividade hidráulica
(Adaptado de Pavilonsky, 1985)
Líquido Solo k
max
/k
w
k
f
/k
w
4 % NaOH Bentonita 0,5 0,3
4 % NaOH Caulinita 0,9 0,8
4 % NaOH Loam 4 3,02 15,6
0,4 % NaOH Bentonita 1,4 0,2
0,4 % NaOH Caulinita 1,4 1,1
0,4 % NaOH Loam 4 1,3 0,4
Lentz et al. (1985) analisaram também as variações no coeficiente de condutividade
hidráulica de diferentes solos (argila caulinítica, misturas caulinita-bentonita e montmorilonita
magnésica) submetidos à percolação de diferentes líquidos de teste; um deles hidróxido de
sódio a diferentes concentrações (pH de 9, 11, e 13). O ensaio foi realizado num permêametro
de paredes flexíveis, com carga variável. Observou-se uma diminuição da condutividade
hidráulica com a passagem do licor cáustico, em todos os solos, para a concentração máxima
(pH = 13). Os resultados estão apresentados na Figura 2.32, e na Tabela 2.6.
Figura 2.32 - Condutividade hidráulica versus volume de poros, para
hidróxido de sódio com pH=13,0 (Lentz et al., 1985).
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
104
Tabela 2.6 – Resumo dos ensaios de condutividade hidráulica
(Adaptado de Lentz et al., 1985).
Caulinita Caulinita,85%
Bentonita 15%
Montmorilonita
Magnésica
pH k
a
i
x10
-7
k
b
j
x10
-7
k
i
/k
f
k
i
x10
-8
k
f
x10
-8
k
i
/k
f
k
i
x10
-7
k
f
x10
-8
k
i
/k
f
9 1,15 1,05 1,10
2,60 2,30 1,13 0,50 4,40 1,14
11 1,20 1,10 1,09
2,65 2,20 1,20 1,20 7,80 1,54
13 1,00 0,340 2,94
1,92 7,80 2,46 1,15 0,90 12,78
K
a
i
=condutividade hidráulica inicial, cm/s.K
b
j
=condutividade hidráulica final após
da passagem de seis volumes de vazios de efluente
Simons e Reuter (1985) analisaram também as variações no coeficiente de condutividade
hidráulica com a percolação de diferentes líquidos, entre eles soda cáustica, em diferentes
solos argilosos (caulinita, ilita, montmorilonita e misturas de bentonita e areia). Fizeram
também análises mineralógicas das amostras de solo, antes e após a percolação dos diferentes
líquidos, para obter a taxa de lavagem de minerais como sílica e alumínio (perda de mineral).
Obtiveram as maiores taxas de lavagem dos mesmos nos ensaios com as soluções alcalinas.
Alguns resultados são apresentados na Figura 2.33.
Ignatus e Souza Pinto (1991) determinaram o efeito da contaminação, com um efluente à base
de soda cáustica (pH=13,7), numa argila magra arenosa, com fração argila
predominantemente caulinítica. Eles estudaram três aspectos: granulometria e limites,
adensamento e colapsividade e resistência à compressão simples. Fizeram ensaios de
sedimentação e determinação dos limites de plasticidade com diferentes concentrações de
efluente, ensaios de adensamento na umidade natural, com inundação com água e inundados
com efluente. Realizaram, também, dois tipos de ensaios de compressão simples: de ruptura
por carregamento progressivo e de ruptura por umedecimento progressivo. Mediante este
programa experimental, eles julgaram que o efluente se comporta como defloculante para
certa faixa de concentrações. Para concentrações maiores, a tendência defloculante diminui. O
solo em estudo é colapsivel em presença de água e sua colapsividade é aumentada em
presença do efluente químico. Com respeito à resistência à compressão simples, eles
observaram uma queda na resistência em presença do efluente.
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
105
Figura 2.33 – Percolação com diferentes líquidos de teste, em argila
caulinítica (Adaptado de Simons e Reuter, 1985).
Kumapley e Ishola (1985) estudaram os efeitos da contaminação química na resistência não
drenada do solo e nos limites de consistência. O solo analisado foi uma argila caulinítica, e
trabalharam com amostras amolgadas, preparadas mediante a mistura de solo e soda cáustica.
Os resultados que eles apresentam mostram que, para concentrações crescentes de soda
cáustica, o limite de liquidez decresce, assim como também a resistência não drenada do solo.
Não se apresentam dados de concentrações de NaOH; a concentração da solução de soda
cáustica é colocada em termos de pH da solução soda-solo.
A partir das informações obtidas é possível deduzir que, durante a realização do ensaio de
condutividade hidráulica, com a infiltração do efluente sob as misturas tipo SB ou SCB, o
comportamento do solo constituinte da mistura esteve sobre a dependência, tanto de suas
características quanto das do efluente. Daí a necessidade de explorar em profundidade as
propriedades físico-químicas e mineralógicas dos materiais utilizados.
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
106
2.5 LÍQUIDOS PERCOLANTES – ENSAIO DE CONDUTIVIDADE
HIDRÁULICA
A condutividade hidráulica depende também da substância a ser percolada. Há uma interação
entre o líquido permeante e as matérias-primas do material de preenchimento. Daí faz-se
necessário conhecer a relações que podem se estabelecer.
Do ponto de vista eletroquímico, a eficiência da atração entre as partículas sólidas e as cargas
provenientes dos líquidos percolantes pode gerar um menor volume de vazios. Essa redução
no volume de vazios gera um coeficiente de condutividade hidráulico mais baixo. São fatores
infuentes (Pozzi & Galassi, 1994):
a) natureza dos sais dissolvidos no líquido percolante;
b) força iônica da solução;
c) valor do pH e
d) composição química, cristalinidade, estado físico da superfície e rugosidade dos
componentes da mistura.
A carga elétrica das partículas dos minerais argilosos (em particular da caulinita) resulta,
fundamentalmente, em imperfeições nas respectivas estruturas cristalinas, com realce para as
substituições atômicas isomórficas e para as omissões atômicas. Por outro lado, as valências
dos átomos situados nas superfícies limites da estrutura cristalina (as bordas das partículas)
não estão completamente compensadas, pelo que aquelas superfícies constituem locais
preferenciais de adsorção de ions ou moléculas polares. Quando as partículas são mergulhadas
em água ou em soluções aquosas de ácidos e bases, a carga obtida nas superfícies das bordas
resulta da adsorsão de hidrogênios e oxidrilas, em proporção, que depende da natureza da
superfície, nomeadamente da relação sílica - alumina, e da concentração relativa das duas
espécies em solução. Assim, esperar-se-á uma maior adsorção de OH
-
em soluções básicas e
uma maior adsorção de H
+
em soluções ácidas. Como resultado, as bordas das partículas
apresentam carga positiva a pH reduzido e carga negativa a pH elevado.
Collares (1998) analisou o colapso em solos tropicais considerando diferentes soluções
químicas a fim de mostrar que a presença de um agente dispersivo na solução, mais que o seu
pH, parece influenciar a magnitude do colapso dos solos. Utilizou 2 tipos de solos típicos do
interior do Estado de São Paulo: o primeiro de textura arenosa (solo A) e o outro de textura
argilosa (solo B). Realizou ensaios edométricos do tipo “convencional”, com carregamentos
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
107
consecutivos até atingir a tensão de interesse; Após cessarem as deformações inundava os
corpos de prova. Os ensaios foram efetuados com amostras compactadas e com amostras
indeformados. Como fluidos percolantes utilizou água destilada de pH igual a 6,8, uma
mistura de soda cáustica (NaOH) com hexametafosfato de sódio (NaPO
4
)
6
até atingir o pH
igual a 11 e, outra mistura contendo (NaPO
4
)
6
e ácido fosfórico (H
3
PO
4
), com pH igual a 3.
Descobriu que a amostra inundada com água sofreu colapso repentino, mas estabilizou-se em
poucos minutos, enquanto que as amostras inundadas com as substâncias químicas, apesar de
apresentarem um potencial de colapso superior quando comparadas com a água, continuaram
a se deformar ao longo do tempo. Notou maiores potenciais de colapso para o solo B. Uma
possível explicação para tal comportamento reside no fato do solo B (argiloso) possuir um
índice de vazios de 2,08, enquanto o índice de vazios do solo A (arenoso) é de apenas 1,07.
Evidenciou que, o corpo de prova ao ser inundado com água, apesar de menores potenciais de
colapso, estabiliza-se em poucos minutos, já com as substâncias de diferentes pHs, o colapso
é crescente ao longo do tempo.
A seguir são apresentadas as principais propriedades dos líquidos que foram utilizados como
percolantes nos ensaios de condutividade hidráulica. Pois sendo essas substâncias agressivas,
devem-se ter conhecimentos básicos para manuseá-las com segurança.
2.5.1 Ácido Sulfúrico – H
2
SO
4
O ácido sulfúrico é uma substância altamente agressiva. É um ácido forte, corrosivo e ao
contato com a pele pode causar severas queimaduras, com destruição do tecido, vermelhidão e
dor. É estável em condições normais de uso e estocagem, não há riscos de polimerização e
reage isotermicamente com a água (Amonex, 2005).
Deve-se evitar o contato desse ácido com materiais combustíveis, materiais orgânicos,
oxidantes, aminas, nitratos, carbetos, fulminatos, pricatos, cloratos, percloratos, aldeídos,
cetonas, metais pulverizados, materiais alcalinos e ácido acético. Sua decomposição térmica
gera óxidos de enxofre e hidrogênio.
A disposição final dos resíduos deve ser acompanhada de especialista e de acordo com a
legislação ambiental vigente, pois o lançamento de ácido sulfúrico diretamente nos esgotos,
rios e lagoas pode ocasionar a produção de gás sulfídrico (H
2
S).
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
108
2.5.2 Soda Cáustica (hidróxido de sódio) - NaOH
A soda cáustica, ou hidróxido de sódio, é uma substância corrosiva, perigosa para a saúde do
homem e para o meio ambiente. Em seres humanos, é corrosiva para as mucosas, olhos e pele, pode
causar irritação intensa no nariz e na garganta. No caso de exposições repetidas ou prolongadas há o
risco de dor de garganta, perda de sangue pelo nariz e de bronquite crônica (Amonex, 2005).
É incompatível com o Alumínio, Zinco, Estanho e Cobre (elevação de temperatura,
inflamabilidade e explosões possíveis de ocorrer devido à formação de hidrogênio gasoso). O
produto pode reagir violentamente com ácidos aldeídos e muitos outros produtos orgânicos.
Deve-se levar em conta também a reação exotérmica que ocorre nos casos de diluição na
água, no álcool, no glicerol, tricloetileno, N-N
2
-Bis (trinitroetila), uréia (na estocagem) e
amônia mais nitrato de prata.
Para diluí-lo, adicionar o produto sobre a água, mas nunca o inverso. Deve-se manipular o
produto afastado de produtos reativos e ainda, utilizar aparelhagens em materiais compatíveis
com o produto.
No que se refere aos resíduos, o despejo desse produto em cursos d’água, esgoto e solo, deve
ser evitado. A soda cáustica em solução ou na forma sólida é um álcali forte que em contato
com o solo ou água provoca a elevação do pH, acarretando poluição dos mesmos
e,conseqüente, degradação do meio ambiente, além de causar prejuízos à fauna.
Pretende-se, com o desenvolvimento da pesquisa prosseguir na investigação de trabalhos
científicos, que possam facilitar a interpretação dos dados até agora obtidos, e confirmar as
hipóteses por hora apresentadas.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia de trabalho foi estabelecida com o propósito de conhecer numa primeira
instância as propriedades físicas dos materiais envolvidos, após estudar suas propriedades
mecânicas e por fim, as químicas a partir da investigação a cerca do comportamento dos solos
contaminados (arenito e bentonita) entendendo os fenômenos que se processam na utilização
da tecnologia slurry wall frente a substâncias agressivas, bem como sua eficiência em
determinado tipo de solo.
A investigação ocorreu em etapas conforme apresentado no item 3.1. Os procedimentos
adotados na realização de cada uma das fases são apresentados a seguir.
3.1 PROGRAMA EXPERIMENTAL
3.1.1 Considerações Iniciais
O programa de ensaios estabelecido teve como objetivo principal, avaliar a viabilidade da
utilização de barreiras hidráulicas verticais contendo, como material de preenchimento, uma
mistura composta por bentonita sódica, cimento de alta resistência inicial, solo residual
arenito Botucatu (SRAB) e água destilada. Cabe salientar que, como critério para escolha dos
materiais constituintes das misturas levou-se em consideração que:
a) a bentonita é um material primariamente formado por argilo-minerais do grupo
montmorilonita. O cátion adsorvido pode ser sódio ou cálcio, sendo que a
bentonita sódica é a mais utilizada em aplicações de selagem e impermeabilização;
b) o tipo de cimento escolhido tem a propriedade de desenvolver pega rápida e
alcançar alta resistência inicial, propriedade essencial ao bom desempenho do
material;
c) o solo utilizado é característico de uma região do Estado do Rio Grande do Sul,
Brasil, tendo sido objeto de pesquisa em vários trabalhos científicos. Foram
previamente relatados vários trabalhos de caracterização para este solo (Núñez,
1991; Prietto, 1996; Ulbrich, 1997; Thomé, 1999). Núñez (1991) constatou a
homogeneidade da jazida ao realizar ensaios ao longo de sua profundidade.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
110
A função desse novo material geotécnico seria de impedir a contaminação do lençol freático e
o comprometimento das estruturas de fundação situadas em solos contaminados.
Foi possível realizar essa avaliação através da investigação do comportamento físico-químico
mineralógico e mecânico dos materiais anteriormente citados, misturados e contaminados por
ácido sulfúrico e soda cáustica após os ensaios de condutividade hidráulica, realizados em um
permeâmetro de parede rígida, construído no Laboratório de Residuos, Novos Materiais e
Geotecnia Ambiental (ENVIRONGEO) da UFRGS. O programa experimental, apresentado
esquematicamente na Figura 3.1, dividiu-se em três etapas distintas, como se segue.
Na primeira etapa foram realizados ensaios preliminares de caracterização física. Os
contaminantes, soda cáustica (NaOH) e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) foram adquiridos em solução
a 48% e 96% respectivamente. Baseado nos estudos de D´Appolonia (1980), Lentz et al.
(1985), Pavilonski (1985), Mehta & Monteiro (1994), Jozefaciuk et al. (2002) e Moncada
(2004) e, buscando trabalhar com valores acima dos limites de tolerância para resíduos
poluentes (especificados na Norma TLV-C-USA/1992), decidiu-se por utilizar concentrações
iguais a 5% para os dois contaminantes. Pois, além de se utilizar uma concentração padrão,
buscou-se trabalhar com pHs extremos nas duas situações, ou seja, 12,99 e 0,15
respectivamente.
Na seqüência foram testadas misturas contendo solo residual arenito Botucatu (SRAB),
bentonita sódica, cimento e água destilada em diferentes proporções com vistas a determinar a
proporção ideal destes materiais, para compor as misturas que serviriam como material de
preenchimento às barreiras hidráulicas verticais (slurry walls).
Na segunda etapa foi determinada a condutividade hidráulica da mistura, contendo solo e
bentonita sódica, com ou sem adição de cimento, a partir da percolação de água (seguido da
percolação por contaminantes), para posterior comparação com as mesmas misturas contaminadas
pelos líquidos citados. Nesta etapa foi estudado, ainda, o comportamento mecânico das misturas, a
partir de ensaios de adensamento de resistência à compressão não confinada.
A terceira etapa constou da análise físico-química das misturas solo/bentonita,
solo/cimento/bentonita e das matérias primas envolvidas no que se refere às mudanças em sua
microestrutura, composição química e mineralógica. Estes ensaios foram realizados no Centro de
Investigação em Materiais Cerâmicos e Compósitos (CICECO), pertencente à Universidade de
Aveiro, em Portugal. Ainda nessa etapa foi analisado o lixiviado resultante das percolações por
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
111
contaminantes a fim de verificar a eficiência das misturas solo/bentonita e solo/cimento/bentonita.
A seguir será apresentada cada uma das fases detalhadamente.
Revisão Bibliográfica
OBJETIVO: Conhecer o comportamento mecânico hidráulico de misturas contendo solo/cimento/bentonita
para utilização em barreira vertical de contenção sob contaminação por H2SO4 e NaOH
Construir um equipamento
que simule (em laboratório)
o comportamento do novo
material
Projeto de um permeâmetro
de parede rígida (matéria-
prima inerte à ação dos
contaminantes)
Determinação das variáveis
dependentes e
independentes
Ensaios de caracterização
física dos materiais
Montagem do Permeâmetro
de parede rígida
Definição da concentração
dos contaminantes e das
proporções -
cimento/bentonita
sódica/arenito/água
destilada
extração de amostras para
ensaios de adensamento
Ensaios de Resistência à
compressão não confinada
Ensaios de determinação de condutividade hidráulica com misturas do tipo SB e SCB pecoladas por água
destilada, ácido sulfúrico e soda cáustica
extração de amostras para
ensaios de resistência à
compressão não confinada
extração de amostras para
análise química
extração do lixiviado para
análise química
Ensaios de resistência à
compressão não confinada
com corpos de prova
esculpidos
Determinação das
propriedades químicas das
misturas SB, SCB e das
matérias-primas - cimento,
bentonita e solo
(isoladamente)
Explicação do comportamento mecânico e hidráulico das misturas contendo solo/bentonita ou
solo/cimento/bentonita mediante contaminação e determinação da eficiência dos novos materias
Figura 3.1 - Organograma Programa Experimental
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
112
3.1.2 Ensaios Preliminares
3.1.2.1 Caracterização Física dos Materiais
Ensaios de caracterização física do solo e da bentonita sódica foram realizados, como mostra
a Tabela 3.1. Os resultados obtidos são apresentados no capítulo 4.
O cimento não foi caracterizado pelo fato do produto utilizado ter certificação de qualidade e
ter sido produzido de acordo com a NBR 5733.
Tabela 3.1 – Ensaios de Caracterização da Bentonita Sódica e do
SRAB*
Ensaios/Normas Bentonita sódica Solo
Ensaios para determinação da composição granulométrica - NBR 7181
(ABNT, 1984c)
x x
Limites de Attterberg: Limite de Liquidez (LL) e de Plasticidade (LP) -
NBRs 6459 (ABNT, 1984c) e 7180 (ABNT, 1984b) respectivamente.
x
Massa Específica real dos grãos – NBR 6508 (ABNT, 1984d)
x x
Amostras de solo – preparação para ensaios de compactação e ensaios
de caracterização - NBR 6457 (ABNT, 1986a)
x x
* - SRAB = Solo Residual Arenito Botucatu
3.1.2.2 Ensaios de Resistência à Compressão não Confinada
Com o objetivo de determinar a proporção ideal dos constituintes das misturas solo/bentonita
(SB) e solo/cimento/bentonita (SCB) foram moldados corpos-de-prova de 50 mm de diâmetro
x 100 mm de altura. A moldagem dos mesmos foi realizada em moldes bipartidos de PVC
com 50 mm de diâmetro e 150 mm de altura.
Os teores estudados de umidade, solo, cimento e bentonita são apresentados na Tabela 3.2. A
definição da dosagem dos materiais utilizados foi feita baseada em valores publicados na
literatura (Xanthakos, 1979; D’Appolonia, 1980; Evans, 1993; Pearlmam, 1999). Azambuja,
2004, pesquisou a influência do teor de umidade e da relação água-cimento no coeficiente de
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
113
permeabilidade, índice de vazios e resistência à compressão simples (RCS) de várias
proporções utilizando as mesmas matérias-primas. As proporções foram definidas com base
no último Trabalho citado e os ensaios foram realizados com vistas a perceber a
trabalhabilidade das misturas, bem como conhecer seu comportamento mecânico após 72
horas de cura, quando o CP era rompido seguindo os procedimentos descritos na NBR 12.770
(1992).
Tabela 3.2 – Dosagem dos materiais
Mistura
Teor de
umidade (%)
Teor de
Bentonita (%)
Teor de
Solo (%)
Teor de
cimento (%)
Relação
água/cimento
1 80 12 88 0 0
2 100 6 94 0 0
3 100 12 88 0 0
4 100 6 69 25 4
5 100 12 63 25 4
6 100 12 71,34 16,66 6
Para preparar a mistura, após a pesagem dos materiais, o solo e a bentonita eram misturados
até obtenção da homogeneidade. Após, a água era adicionada aos poucos, com o objetivo de
impedir a formação de grumos de bentonita e por fim, se a mistura contivesse cimento, o
mesmo era acrescentado. A combinação tinha o aspecto de uma “lama” e para colocá-la no
molde foi necessário vedá-lo lateralmente e na base, com adesivo à base de silicone, buscando
evitar a fuga da água. Então era despejada dentro do molde até a altura de 100 mm. Na
seqüência o molde era vedado (envolto em saco plástico), a fim de evitar a perda de umidade
(Figura 3.2).
Com teor de umidade igual a 80% obteve-se pouca trabalhabilidade, gerando CPs com muitos
vazios. Acredita-se que a bentonita sódica, ao entrar em contato com a água, pela absorção,
expandiu-se muito, aumentando, assim, a viscosidade da mistura. Por este motivo abandonou-
se a idéia de utilizar a mistura 1.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
114
(a) (b) (c)
Figura 3.2 – (a)Mistura solo/bentonita; (b) Mistura
solo/cimento/bentonita; (c) molde do corpo de prova.
Após esta constatação passou-se a utilizar teor de umidade igual a 100%. Na busca de
eficiência aliada à economia de material, usou-se relação água/cimento igual a 6 (mistura 6).
Na desmoldagem do CP, que utilizou este tipo de mistura, notou-se redução nas suas
dimensões, tanto no diâmetro quanto na altura (aproximadamente 2 cm). Acreditou-se ser a
causa dessa ocorrência, um alto teor de umidade aliado aos baixos teores de cimento e
bentonita. Outros teores foram testados na busca de proporções entre solo, cimento e
bentonita que apresentassem boa trabalhabilidade e estabilidade volumétrica.
Foram testadas, na seqüência, as misturas 2 e 4. Quando colocadas nos moldes percebeu-se
grande quantidade de água e vestígios de bentonita na superfície dos mesmos, parecendo ter
ocorrido segregação entre os materiais. Estas dosagens também foram descartadas.
Partiu-se então para a proporção de 12% de bentonita e 100% de umidade. Após a definição
das proporções dos materiais na mistura tipo solo/bentonita, foi possível verificar o efeito do
cimento na resistência à compressão não confinada e no comportamento hidráulico destes
novos materiais geotécnicos. Foram testadas as misturas 3 e 5 e os resultados obtidos foram
satisfatórios no que se refere à estabilidade da mistura e índice de vazios dos CPs.
A realização dos ensaios de resistência à compressão não confinada seguiu os procedimentos
descritos na norma NBR 12.025 (1990). A prensa utilizada para a ruptura dos CPs é da marca
Wykeham Farrance, adaptada com anéis dinanométricos de 3kN e 6 kN, previamente calibrados.
Após 72 horas os CPs que continham cimento foram rompidos. Cabe salientar que, como utilizou
cimento de alta resistência inicial (CP V-ARI), a resistência encontrada aos 3 dias corresponde a
de mais de 7 dias para os cimentos pozolânicos comuns (CP I e CP I – S).
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
115
3.1.3 Estudo do comportamento Hidráulico e Mecânico das Misturas SB e
SCB
O programa experimental nesta etapa teve por fim: determinar o coeficiente de condutividade
hidráulica (k) e verificar a porosidade resultante quando as misturas foram percoladas por água,
soda cáustica (NaOH) e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
); determinar a resistência à compressão não
confinada (q
u
) e o coeficiente de adensamento (C
v
), gerados a partir das misturas compostas por
SRAB e bentonita sódica. Também, averiguar a variação dos mesmos quando o cimento foi
acrescentado à mistura. Os procedimentos de ensaios basearam-se na Norma Americana ASTM
5856, e nas Normas da ABNT, NBR 12.770 (1992) e NBR 12007 (1990), respectivamente.
A determinação da condutividade hidráulica foi feita por um permeâmetro de parede rígida
desenvolvido no Laboratório de Resíduos, Novos Materiais e Geotecnia Ambiental
(ENVIRONGEO) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, conforme a Norma
Americana ASTM 5856, própria para solos de condutividade hidráulica inferior a 10
-5
m/s.
As propriedades das misturas SB e SCB foram estudadas em dois momentos. No início da
pesquisa, quando, com base nas propriedades físicas dos materiais envolvidos e no trabalho
desenvolvido por Azambuja (2004) definiu-se, a proporção de cada material na mistura (item
3.1.2.2) e ao final dos ensaios de condutividade hidráulica, quando amostras foram retiradas
para determinação das propriedades mecânicas das misturas já percoladas por água destilada,
ácido sulfúrico e soda cáustica. As propriedades químicas destas misturas foram determinadas
através dos ensaios apresentados na Tabela 3.4 e descritos no item 4.6. Este item se detém
somente nas propriedades mecânicas.
A partir de ensaios preliminares e dos estudos descritos no item 3.1.2.2, determinou-se, para a
mistura SB: teor de umidade igual a 100% e 12% de bentonita sódica e, para a mistura SCB:
teor de umidade igual a 100%; fator água/cimento igual a 4 e 12% de bentonita sódica, do
total de sólidos, em massa. O alto teor de umidade é concernente à tecnologia slurry wall,
pois é necessário que a “pasta” apresente trabalhabilidade para posterior colocação nas valas.
As propriedades hidráulicas e mecânicas das misturas foram determinadas por ensaios de
condutividade hidráulica, RCS e adensamento, nessa ordem. Não foram realizados ensaios de
RCS com a mistura SB pelo fato do corpo de prova se desmanchar ao ser mergulhado em
água (NBR 12.025/90).
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
11
6
3.1.3.1 Projeto e Construção do Permeâmetro
O permeâmetro de parede rígida, do tipo compaction mold permeameter, com fluxo
ascendente, foi planejado com o propósito de servir ao experimento de todos os tipos de
materiais granulares, compactados ou misturados com líquidos em diferentes viscosidades. É
um equipamento apropriado para solos de condutividade hidráulica inferior a 10
-5
m/s. A
matéria-prima utilizada na confecção do aparelho e as conexões utilizadas, em aço inoxidável,
visaram produzir um equipamento inerte a uma grande variedade de líquidos contaminantes.
Apenas as conexões sem contato com líquidos contaminantes constituem-se de outros
materiais, como o latão. A tubulação, em nylon, é inerte a uma variedade de líquidos
agressivos, entre eles, o ácido sulfúrico e soda cáustica, utilizados nessa Pesquisa.
Foi projetado e montado nesta pesquisa pela Profª. M Sc. Rosemar Gomes Lemos com
orientação e auxílio dos Prof. Ph D. Nilo César Consoli e Profª. Dr.Eng. Karla Heineck
executado no laboratório ENVIRONGEO da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
conforme a Norma Americana ASTM D5856. Suas características são descritas a seguir.
3.1.3.1.1 Sistema hidráulico
O sistema utilizado no ensaio foi o de carga constante. Este sistema é capaz de manter a
pressão hidráulica constante dentro de 5% e tem condições de medir esta pressão ou quedas
de carga dentro da tolerância prescrita.
A medição da pressão ocorreu através de reguladores de pressão, de precisão entre 0-1013,25
KPa, φ = ¼", marca Norgreen e manômetro, de medição entre 0 e 392,4 kPa, marca Nuova
Fima – Cimpa (Figura 3.3)
A vazão do sistema era constante visto que o fluido foi armazenado num cilindro de 15 cm de
diâmetro por 30 cm de altura e sobre ele era aplicada pressão. Nesse cilindro foi adaptado um
tubo translúcido acoplado a uma régua graduada que permitiu o controle do volume de líquido
contido e o que entrava na amostra no decorrer do tempo.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
117
Figura 3.3 - Medição da pressão de carga
3.1.3.1.2 Sistema de medição de fluxo
Os fluxos internos e externos foram medidos. O fluxo interno que pode ser definido como o
volume de líquido que entrou na amostra, foi aferido através de leituras (h1 e h2) em
intervalos de tempo iguais, na régua graduada, localizada no cilindro onde o líquido
permeante era armazenado (como consta no item 3.3.1.1). Conhecendo-se a seção do cilindro
(S) e o intervalo de tempo entre duas leituras simultâneas (t – to) foi possível determinar o
fluxo interno por unidade de tempo.
O fluxo externo, definido como o volume de líquido que foi coletado na saída da amostra
(lixiviado) foi verificado a partir da determinação da medida de sua massa em intervalos de
tempo iguais. Conhecendo-se a densidade (d) do lixiviado foi possível medir o fluxo externo
por unidade de tempo.
3.1.3.1.3 Células do permeâmetro
O equipamento é constituído de duas câmaras cilíndricas, a primeira para amostra de
dimensões 150 x 150 mm (φ x h) e a segunda para reservatório do líquido permeante de 150 x
300 mm (φ x h) ambos com espessura igual a 7,4 mm (Figura 3.4). O sistema de aplicação de
pressões é feito através de um compressor com capacidade de até 1013,25 KPa, diretamente
sob o líquido a ser permeado. O líquido flui em sentido ascendente, sendo que o sistema é
composto por válvulas de retenção que impedem o refluxo.
As conexões são de latão e aço inox. Sendo de latão as que têm ligação com a tubulação de ar
(entrada do cilindro maior) e as demais em aço inox. A tubulação para circulação do líquido
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118
permeante é de nylon, φ = ¼”. Foi escolhido este material por ser inerte ao ataque das
substâncias utilizadas no ensaio.
Figura 3.4 - Permeâmetro de parede rígida – conjunto cilindro para
líquido permeante e para amostra
Na realização do ensaio, primeiramente foi percolado, na amostra, somente água e, estando
ela saturada, permeou-se o contaminante. Nesta etapa foi determinada a condutividade
hidráulica, através da medição da velocidade de percolação.
3.1.3.1.4 Bases - inferior e superior
As bases dos cilindros do permeâmetro foram construídas em aço inox, sendo fixadas no seu
interior peças porosas, do mesmo material (Figuras 3.5c e 3.6b), que foram projetadas com a
função de distribuir o fluido uniformemente sobre o CP e uma malha de aço φ = 400
m
(Figura 4.7b), cujas funções foram impedir o entupimento das conexões e das peças porosas,
além do carregamento das partículas de bentonita junto ao líquido lixiviado. Foi ainda
executado um anel, também em aço inox, para moldagem da amostra (Figuras 3.5d e 3.6c).
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
119
Depois de colocada a mistura no interior do cilindro, o anel era retirado e colocava-se a base
superior para o procedimento do ensaio (Figuras 3.6a e 3.6b).
(a) (b)
(c)
(d) (e)
Figura 3.5 - Componentes do cilindro para colocação da amostra.
(a) anel de borracha para vedação; (b) malhas em aço e hastes para
fixação do anel de moldagem ao cilindro; (c) peça porosa em aço
inox; (d) fixação do anel de moldagem ao cilindro; (e) cilindro de
moldagem da amostra em aço inox
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(a) (b)
(c)
Figura 3.6 - Bases dos cilindros para amostras. (a) base inferior;
(b) base superior do cilindro; (c) anel de moldagem.
O diâmetro e altura dos cilindros, nos quais ficariam as amostras, foram determinados
baseados em Heineck (2002) onde consta que, geralmente, quanto maior o diâmetro da
amostra, mais representativo é o resultado obtido e que, devem ser utilizadas amostras entre
25mm até 150mm. A razão L/D (altura/diâmetro) é muito variável, sendo encontrados na
literatura valores entre 0,25 a 2 (Daniel, 1993; Yanful et al, 1995; Locat et al, 1996). No
permeâmetro executado a razão L/D é igual a 1.
Para que houvesse total selamento entre as placas e o cilindro foram colocados o-rings (anéis
de borracha – Figura 3.5a) nos pontos de contato entre as peças cilíndricas e as bases. A
fixação das bases aos cilindros das amostras e dos líquidos permeantes ocorreu através de 4
hastes de φ = 8 mm em aço inox, com rosca (Figura 3.5b).
3.1.3.1.5 Dispositivo para a medição das dimensões da amostra
Devido ao fato do molde da amostra ser o cilindro onde ocorreu o ensaio, antes de colocar a
mistura no interior do cilindro o mesmo foi medido internamente (Figuras 3.5d e 3.5e). De
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
121
acordo com a norma ASTM D5856, determinaram-se as dimensões da amostra com
aproximação de 0,01cm. Utilizando um paquímetro, foram medidos seu diâmetro e altura.
3.1.3.1.6 Capela para exaustão de gases
Pelo fato de alguns ensaios de condutividade hidráulica desenvolverem-se por tempo
prolongado julgou-se adequado construir dois permeâmetros. Como seriam utilizadas
substâncias perigosas para percolação os mesmos foram instalados numa capela como
mostram as Figuras 3.4 e 3.7
. A capela, marca Permution, tem sua estrutura construída em
fibra de vidro, com espessura de 3 mm, nas dimensões 150 x 130 x 70 cm (largura x altura x
profundidade). É composta por porta frontal de acrílico transparente; dutos de exaustão em
PVC rígido branco, diâmetro 200 mm; exaustor centrífugo 1/3 CV, protegido contra corrosão,
capacidade de exaustão de 60 m
3
/min; luminária isolada IP44, com lâmpada incandescente
base E-27. Interruptores para luminária, exaustor e tomada de força universal; dois bicos
escalonados em latão ½", com registro, para entrada de líquidos e gases; pia interna para
líquidos, com dreno (Figura 3.7).
Figura 3.7 – Detalhamento da instalação dos permeâmetros no interior
da capela
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3.1.3.1.7 Sistema de funcionamento
Na Figura 3.8 é apresentado o esquema de funcionamento dos 2 permeâmetros. Os números 1
e 2 descriminam os componentes de cada um. O sistema é composto por:
a) um compressor de ar, cuja função é transmitir pressão ao líquido
percolante. O nível de pressão adequado foi controlado por 2 manômetros
de aço-carbono (ver item 3.3.1.1 e Figura 3.3), situados entre o
compressor e as células para armazenamento do líquido permeante;
b) células para líquidos permeantes, cujas características são descritas nos
itens 3.3.1.4 e 3.3.1.5, com conexão na base superior para entrada de ar e
substância contaminante, e na base inferior para entrada de água
proveniente diretamente do reservatório superior. A solução contaminante
é inserida pela base superior da célula com o auxílio de um funil de vidro.
Após a colocação, a tampa foi totalmente vedada. A ligação entre a célula
para líquidos e a célula da amostra ocorre pela base inferior. Tem-se ainda
instalado um medidor graduado da quantidade de líquido encontrada no
interior da célula, construído em Teflon (ver Figura 3.4). O medidor foi
projetado segundo o “Princípio dos Vasos Comunicantes”;
c) células para amostra, as quais têm suas características apresentadas nos
itens 3.3.1.4 e 3.3.1.5, cada uma tem em sua base inferior conexão com a
célula que contém o líquido permeante e uma saída para os gases que
poderiam estar no interior da tubulação. Na base superior, ocorre a saída
do líquido permeado, o lixiviado é coletado para posterior medição. Neste
ponto há uma tubulação, φ = ¼” conectada a tampa de um frasco de vidro,
capacidade 2,5 L, na qual foi feito um pequeno orifício para entrada do
tubo (Figura 3.7).
Cabe salientar que foram instaladas válvulas de retenção nas saídas de todas as células para
evitar a possibilidade de refluxo e que, toda tubulação por onde passaram os contaminantes
foi executada em Teflon, matéria-prima inerte ao ataque de ácido sulfúrico e soda cáustica.
Para procedimento dos ensaios foram empregadas duas balanças. A primeira, da marca
Toledo, variação de 0 a 50 kg, precisão 0,01 kg, utilizada para medição das massas de
amostras provenientes de ensaios de condutividade hidráulica, e a segunda, marca Marte,
variação de 0 a 5 Kg, precisão 0,01g, para determinação das massas de pequenas amostras e
do líquido lixiviado.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
123
Figura 3.8 - Esquema de funcionamento dos permeâmetros
3.1.3.2 Avaliação da Condutividade Hidráulica
Após a calibração e validação dos resultados obtidos no permeâmetro montado, foram
realizados ensaios preliminares de condutividade hidráulica utilizando apenas água destilada
como líquido permeante. Durante a percolação percebeu-se que não havia fluxo do percolante
na interface mistura/parede do permeâmetro.
A condutividade hidráulica foi determinada no laboratório no permeâmetro de parede rígida
detalhado no item 3.1.3.1. A seguir são apresentados os procedimentos adotados na execução
dos ensaios.
a) Preparação das misturas
Primeiramente os materiais foram pesados e em seguida, os sólidos misturados num
recipiente. Na seqüência colocava-se água numa bacia e, com uma batedeira, a mesma era
colocada em agitação. Aos poucos a mistura solo/bentonita foi colocada, cuidando para que
não se formassem grumos. No caso da mistura SCB, o cimento foi o último material a ser
adicionado, de maneira rápida, porém distribuída ao longo de toda mistura.
Depois de pronta, a mistura foi colocada na célula para amostra até a borda do cilindro,
utilizando uma peça acessória denominada “anel para moldagem” que foi fixada com pinos à
base para evitar vazamento da mistura, como mostra a Figura 3.5d. Deixou-se a célula com
esse acessório por uma hora, nas misturas de SB, com a finalidade de permitir que a bentonita
sódica continuasse hidratando (aumentando seu volume), para só então fechá-la com sua base
superior. Nas misturas de SCB, o permeâmetro permaneceu com o anel de moldagem por 24
horas, até ser fechado com a base superior para a imediata aplicação de água.
Reservou-se uma pequena quantidade da mistura para determinação do teor de umidade. Esta
amostra foi pesada e colocada na estufa à temperatura de 60º C até a obtenção de massa
constante em 3 pesagens sucessivas.
Na continuidade, determinou-se a densidade seca inicial (
ρ
ρρ
ρ
di
), e a porosidade (n), o volume de
vazios (V
P
), G
s
a medida do peso específico dos grãos, a densidade seca final
ρ
ρρ
ρ
df
em kg/m
3
e o
volume de vazios N
PV
no final do ensaio.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
125
b) Permeação
Antes de começar o ensaio, o recipiente de coleta do lixiviado foi pesado. Imprimiu-se uma
pressão de 0,125 kgf/cm
3
(Figura 3.3) e abriu-se vagarosamente a válvula localizada na base
superior da célula para líquido. Depois, abriu-se lentamente a válvula de escape do cilindro da
amostra e a outra válvula da base inferior do mesmo cilindro. Foram retirados todos os gases
contidos na tubulação, para só depois abrir a válvula da base superior, ainda do mesmo
cilindro, fechando simultaneamente a válvula de escape (ver Figuras 3.4 e 3.6a). Nesse
momento, anotou-se o horário e o nível de água do cilindro maior e começou então o ensaio.
Ao aplicar pressão de 0,125 kgf/m
2
na mistura contida no cilindro, de altura igual a 15 cm,
obteve-se um gradiente igual a 8,33 (valor determinado através da equação 3.1).
L
h
i =
Equação 3.1
Sendo:
h: diferença de carga d’água ao longo da amostra em m de coluna d’água.
L: comprimento da amostra ao longo da trajetória do fluxo em m;
Este gradiente foi considerado apropriado ao fenômeno estudado, segundo Pinto (2000) e a
Norma ASTM 5856D. Aliado a este fato, os resultados obtidos para o coeficiente de
condutividade hidráulica (k) foram coerentes com os encontrados na literatura.
A determinação dos coeficientes de condutividade hidráulica baseou-se na Lei de Darcy. O
coeficiente de condutividade hidráulica, “k” foi calculado segundo a equação 3.2.
h
t
A
L
Q
k
×
×
×
=
Equação 3.2
Sendo:
k: condutividade hidráulica em m/s;
Q: quantidade de fluxo, determinada através da média entre o volume de
entrada e saída da amostra em m
3
;
L: comprimento da amostra ao longo da trajetória do fluxo em m;
A: área da seção transversal em m
2
;
t: intervalo de tempo, em segundos, no qual o fluxo que ocorre, e
h: diferença de carga d’água ao longo da amostra em m de coluna d’água.
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
126
Depois de determinado o coeficiente de condutividade hidráulica, o mesmo foi corrigido para
uma temperatura padrão de 20ºC através da multiplicação de k pela taxa de viscosidade da
água na temperatura em que foi feita cada leitura durante o ensaio, R
T
a partir da Equação 3.3
(de acordo com a Norma ASTM D5856/95).
kRTk ×=
20
Equação 3.3
De hora em hora, nas primeiras 6 horas, foram anotados o nível do cilindro que continha água,
a massa e o pH do lixiviado. A partir daí foi feita uma leitura ao dia, até os 7 dias ou até o
coeficiente de condutividade hidráulica (k) permanecer constante, por 4 leituras sucessivas ou
com determinações que variassem dentro do limite de 25%.
Na etapa seguinte, a água destilada foi retirada do cilindro e substituída por ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
) ou soda cáustica (NaOH). O ensaio de condutividade hidráulica recomeçou e então
percolou-se o contaminante até o instante em que o total do líquido coletado correspondeu ao
volume de vazios da amostra.
Terminado este ensaio, foram extraídas amostras das misturas SCB para os ensaios
subseqüentes (resistência à compressão não confinada e adensamento) como consta nos itens
3.3.3 e 3.3.4 (Figuras 3.11 e 3.12). Cabe aqui salientar, que as misturas possuíam considerável
rigidez, o que permitiu a retirada sem ocorrência de deformações (Figuras 3.9b, 3.10a e 3.10b).
Dando prosseguimento à investigação, foram determinados os ensaios a realizar, como consta
na Tabela 3.3, com três repetições cada um.
3.1.3.3 Ensaios de Resistência à Compressão não Confinada
Amostras da mistura contida no cilindro foram extraídas para realização de ensaios de
resistência à compressão não confinada (Figura 3.9) ao final dos ensaios de condutividade
hidráulica descritos na Tabela 3.3, com a finalidade de determinar a resistência à compressão
não confinada (q) do material alterado pós-percolação, baseando-se na NBR 12770/92. As
mesmas foram extraídas com o auxílio de um Esculpidor Duflex e Bisturi (Figura 3.9a). Ao
extraí-las do cilindro tomou-se cuidado para não causar qualquer deformação que alterasse o
volume de vazios ou a estrutura determinada pela contaminação.
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
127
Tabela 3.3 – Parâmetros para implementação dos Ensaios de
Condutividade Hidráulica
Ensaio
N.
Líquido
Permeante
Componentes da Mistura
Relação
a/c
Gradiente
Hidráulico
(i)
1 H
2
O
12% Bentonita Sódica, 63% SRAB e
25% Cimento CP V-ARI
4 8,33
6 NaOH
12% Bentonita Sódica, 63% SRAB e
25% Cimento CP V-ARI
4 8,33
7 NaOH 12% Bentonita sódica, 88% SRAB 0 8,33
8 H
2
SO
4
12% Bentonita sódica, 88% SRAB 0 8,33
9 H
2
SO
4
12% Bentonita Sódica, 63% SRAB e
25% Cimento CP V-ARI
4 8,33
10 NaOH 12% Bentonita sódica, 88% SRAB 0 8,33
11 NaOH 12% Bentonita sódica, 88% SRAB 0 8,33
12 H
2
O
12% Bentonita Sódica, 63% SRAB e
25% Cimento CP V-ARI
4 8,33
13 H
2
O 12% Bentonita sódica, 88% SRAB 0 8,33
14 H
2
SO
4
12% Bentonita Sódica, 63% SRAB e
25% Cimento CP V-ARI
4 8,33
15 H
2
SO
4
12% Bentonita Sódica, 63% SRAB e
25% Cimento CP V-ARI
4 8,33
16 NaOH
12% Bentonita Sódica, 63% SRAB e
25% Cimento CP V-ARI
4 8,33
17 NaOH
12% Bentonita Sódica, 63% SRAB e
25% Cimento CP V-ARI
4 8,33
18 H
2
SO
4
12% Bentonita sódica, 88% SRAB 0 8,33
19 H
2
SO
4
12% Bentonita sódica, 88% SRAB 0 8,33
20 NaOH 12% Bentonita sódica, 88% SRAB 0 8,33
21 H
2
O
12% Bentonita Sódica, 63% SRAB e
25% Cimento CP V-ARI
4 8,33
Após o procedimento descrito no item anterior extraiu-se a amostra para o ensaio de Resistência à
Compressão não Confinada (Figura 3.9). Para a realização deste tipo de ensaio os espécimes
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128
foram moldados utilizando um moldador de CPs a partir de blocos indeformados, mostrado na
Figura 3.9d.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3.9 – Extração de amostra para ensaio de resistência à
compressão não confinada e moldagem do CP. (a) processo de
extração da amostra; (b) amostra extraída; (c) detalhe interno da
mesma; (d) moldagem do corpo-de-prova
Observando a mistura percolada por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) percebeu-se que a mesma
continha duas fases de coloração diversa, como mostra a Figura 3.9b. A fim de constatar as
diferenças entre essas duas porções no que se refere à resistência mecânica, decidiu-se por
realizar dois ensaios de RCS.
O primeiro com o CP contendo as duas porções e, após rompimento da estrutura de uma
delas, retirando a parte rompida, realizar outro ensaio, determinando, dessa forma, duas
tensões (Figura 3.11). Este resultado juntamente à análise por Difratometria de Raios-x,
permitiram definir as mudanças que ocorreram na mistura tanto no aspecto químico quanto no
micro-estrutural. Já com CP extraído da mistura percolada por soda cáustica (NaOH) foi
realizado apenas um ensaio visto que, a amostra era aparentemente homogênea (Figura 3.10a)
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
129
(a) (b)
Figura 3.10 – Misturas SCB permeadas por: (a) NaOH e (b) H
2
SO
4
–
extraídas após Ensaio de Condutividade Hidráulica
(a) (b) (c)
Figura 3.11 – Ensaio de RCS – amostras SCB contaminada por
H
2
SO
4
. (a) amostra contendo as porções superior e inferior; (b)
porções separadas após rompimento da primeira porção; (c) amostra
da porção inferior.
A partir da equação 3.4 foi determinada a tensão de compressão (q) em kN/m
2
, suportada pelo
corpo de prova a partir da carga aplicada (P) em kN e da área transversal (A), em m
2
,do mesmo.
A
P
q =
Equação 3.4
3.1.3.4 Ensaio de Adensamento Unidimensional
Depois de extraída a amostra do cilindro de inox (Figura 3.9c), ao final do ensaio de
condutividade hidráulica, tomou-se parte dela para moldagem do corpo-de-prova (CP) para o
ensaio de adensamento. Pelo fato das mistura tipo SCB terem apresentado maior rigidez, em
conseqüência da presença do cimento, foi possível retirar amostras indeformáveis. Assim que,
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130
foram realizados ensaios de adensamento apenas com amostras cimentadas percoladas por
água destilada (sem contaminação), soda cáustica e ácido sulfúrico. A última citada
apresentou porções de coloração diferenciada (Figura 3.9, letras b, c e d), implicando na
realização de 2 ensaios de adensamento com o objetivo de determinar o valor do coeficiente
de adensamento (C
v
) das duas porções e compará-lo com o resultado obtido a partir da
mistura percolada por água destilada.
A execução desse ensaio baseou-se nos procedimentos descritos na Norma da ABNT, MB-
3336, sendo utilizada para realização do ensaio uma prensa de adensamento, marca Wykeham
Farrance (Figura 3.11c e 3.11d).
O primeiro passo foi a extração da amostra. Cravou-se lentamente o anel na amostra,
removendo o excesso de solo com um bisturi. Com sobras do solo, foram determinados o teor
de umidade inicial e o peso específico real dos grãos.
Pesou-se o anel contendo o corpo de prova. Colocou-se uma pedra porosa saturada e um papel
filtro saturado sobre a base do consolidômetro, posicionou-se o anel contendo o corpo-de-
prova sobre esta base, aparafusando a seguir o anel de fixação do consolidômetro, colocou-se
um papel filtro saturado sobre o corpo de prova, seguido do cabeçote. Este continha uma
pedra porosa já saturada (ver Figura 3.12a e 3.12b).
O Consolidômetro foi instalado na prensa de adensamento, verificando-se os componentes de
aplicação de força vertical N da prensa (isto é, prato, braço de alavanca, pendural de pesos)
estavam adequadamente nivelados e balanceados, foram feitos os ajustes necessários, o
consolidômetro foi inundado e o balanceamento revisado (ver Figura 3.12c e 3.12d).
Ajustou-se a altura do relógio comparador para medição do deslocamento vertical ∆H em
relação ao cabeçote do corpo de prova, cuidando para que um curso adequado estivesse
disponível. O relógio comparador foi zerado.
Na seqüência, foram colocados pesos no pendural de modo que a tensão vertical σv= N/A,
aplicada ao corpo de prova fosse igual a 12,5 kPa, foram feitas leituras de ∆H aos 7,5”, 15”,
30”, 1’, 2’, 4’, 8’, 15’, 30’, 1h, 2h, 4h, e 24 h. Repetiu-se esse procedimento para os valores de
σv iguais a 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa e 400 kPa.
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
131
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3.12 – Ensaio de adensamento – montagem do equipamento.
(a) preparação da amostra para ensaio; (b) consolidômetro; (c)
consolidômetro instalado na prensa de adensamento e (d) Prensa de
adensamento durante a realização do ensaio.
Removeram-se os pesos do pendural na seqüência inversa dos valores de σv indicados no
parágrafo anterior, deixando cada valor de σv aplicado durante 1 hora. Finalmente, removeu-
se o corpo de prova e determinou-se o teor de umidade final.
Para cada tensão vertical aplicada traçou-se as curvas ∆H x √ t e ∆H x log σv’ determinando
a seguir o coeficiente de adensamento Cv pelos métodos de Taylor e traçou-se a curva Cv x
σv’.
Também foram calculados os índices físicos dos corpos-de-prova, traçando-se as curvas e x
log σv’, para cada tipo de amostra.
3.1.4 Estudo do comportamento químico das misturas SB e SCB
A coleta de material ao final dos ensaios de condutividade hidráulica, apresentados na Tabela
3.3, permitiu conhecer o comportamento das misturas e das matérias-primas envolvidas, sob o
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
132
aspecto químico determinando, conseqüentemente, a eficiência da mistura como material de
preenchimento das barreiras hidráulicas verticais. O líquido lixiviado, igualmente, foi
analisado através da determinação dos teores de sulfatos e sódio (Na) e comparado aos
resultados obtidos à partir dos líquidos percolados (ácido sulfúrico na concentração de 5% e
soda cáustica, na mesma concentração).
No item 3.1.4.1 tem-se a forma como foram extraídas as amostras. As mesmas ao chegarem a
Portugal, no Departamento de Cerâmica e Vidro da Universidade de Aveiro, onde foi
realizada parte da investigação, foram analisadas por Microscopia Eletrônica de Varredura
(SEM), Difratometria de Raios-X (DRX) e Análise Química Elementar por EDS e, os
resultados obtidos a partir de amostras extraídas em um mesmo ensaio foram então
comparados.
Nem todas as amostras foram investigadas. Para selecioná-las usou-se como critério: os
constituintes e teor de umidade da mistura, o líquido permeante e o local de onde a amostra
foi retirada (no interior do permeâmetro-base/meio/superfície) a fim de perceber se
ocorreriam variações nas propriedades químicas e mineralógicas, ao longo da amostra,
quando sob hidratação ou contaminação pelas substâncias estudadas. As características de
cada amostra são apresentadas na Tabela 3.4.
3.1.4.1 Extração das amostras
Como materiais, consideraram-se as amostras retiradas das misturas utilizadas nos ensaios de
condutividade hidráulica, de solo e bentonita sódica (SB) ou solo, cimento e bentonita (SCB),
realizados no permeâmetro de parede rígida com carga constante (Figuras 3.4 e 3.8), que foi
construído com base na norma americana ASTM D5856.
No final do ensaio para determinação do coeficiente de condutividade hidráulica, as amostras
foram extraídas com uma peça cilíndrica em inox (Figura 3.13a e 3.13b) , e secas na estufa
numa temperatura igual a 60º C (Figura 3.13c), após foram subdivididas (serradas
manualmente) em três partes (porções inferior, média e superior).
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
133
Tabela 3.4 – Características das Amostras retiradas do Permeâmetro
de Parede Rígida com Carga Constante
N. DA
AMOSTRA
N. DA MISTURA (CATÁLOGO
INICIAL)
LÍQUIDO
PERMEADO
CARACTERÍTICAS DA
AMOSTRA
ANÁLISES
REALIZADAS
5-R mistura 08
Ñ FOI PERM/ENS.
RCS
teor de umidade= 80% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX
13-R mistura 51-S ens 7SB Ñ FOI PERM
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 0
SEM/DRX
16-R mistura 33 ens 9SCB Ñ FOI PERM
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX
19-R mistura 51-s ens 8SB
S/ ENSAIO
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 0
SEM/DRX
20-R
mistura 51-S ens 8SB - porção
superior
PERM/H
2
SO
4
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 0
SEM/DRX/ ATD
21-R
mistura 51-S ens 8SB - porção
inferior
PERM/H
2
SO
4
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 0
SEM/DRX
22-R
mistura 33 ens 6SCB -centro CP -
meio da mistura
PERM/NaOH
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX
23-R
mistura 33 ens 6SCB - borda do
centro da mistura
PERM/NaOH
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX
24-R
mistura 51-S ens 8SB - meio da
mistura
PERM/H
2
SO
4
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 0
SEM/DRX
25-R
mistura 33 ens 6SCB - porção
centro/inferior
PERM/NaOH
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX
26-R
mistura 33 ens 6SCB - centro da
mistura-face superior
PERM/NaOH
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX
27-R
mistura 33 ens 6SCB - base junto
a pedra porosa
PERM/NaOH
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX/ ATD
31-R
mistura 33 ens9SCB - porção
inferior
PERM/H
2
SO
4
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX
32-R
mistura 33 ens9SCB - meio da
mistura
PERM/H
2
SO
4
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX
33-R
mistura 33 ens9SCB - porção
superior
PERM/H
2
SO
4
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX/ ATD
36-R
mistura 51-S ens11SB- porçao
inferior
PERM/NaOH
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 0
SEM/DRX/ ATD
37-R
mistura 51-S ens11SB - meio da
mistura
PERM/NaOH
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 0
SEM/DRX
39-R
mistura 51-S ens13SB - porção
inferior
PERM/H
2
O
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 0
SEM/DRX/ ATD
41-R
mistura 51-S ens11SB- porçao
superior
PERM/H
2
O
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 0
SEM/DRX
42-R
mistura 33 ens12SCB - porção
inferior
PERM/H
2
O
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX
44-R
mistura 33 ens12SCB - porção
superior
PERM/H
2
O
teor de umidade=100% 12%
benton sód Fa/c= 4
SEM/DRX/ ATD
CONVENÇÕES:
SB
: mistura tipo solo-bentonita;
SCB
: mistura tipo solo-cimento-bentonita;
RCS
: resistência à
compressão simples;
Ñ
: não;
S/
: sem;
ENS.
: ensaio;
PERM/
: permeada por;
Fa/c
: relação água/cimento (fator);
SEM
: microscopia eletrônica de varredura;
DRX
: Difratometria de raios-X;
ATD
: análise termo-diferencial
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134
Elas foram mantidas num dessecador até serem enviadas para o Departamento de Cerâmica e
Vidro da Universidade de Aveiro, Portugal. As amostras que continham cimento, ao serem
retiradas da estufa, foram colocadas em 50 ml de acetona pura durante 30 minutos, com
agitação manual esporádica, a fim de parar as reações de hidratação após, retornaram para
estufa a 60º C até obterem massa constante, para, então, serem armazenadas no dessecador.
No Departamento de Cerâmica e Vidro da Universidade de Aveiro, as amostras retornaram à
estufa, numa temperatura de 60º C, até obterem massa constante e novamente foram
armazenadas no dessecador para procedimento das análises. Nesse departamento, foram
realizadas as análises apresentadas na Tabela 3.4.
(a)
(b) (c)
Figura 3.13 – Retirada de amostras ao final do ensaio de determinação
de condutividade hidráulica (a) cravação do cilindro para extração da
amostra; (b) detalhe da extração e (c) amostra retirada depois de seca
em estufa.
_______________________________________________________________________________________
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
135
3.1.4.2 Análise por Difratometria de Raios-x
Na preparação para análise, as amostras foram ligeiramente moídas com o auxílio de um
almofariz. As mais duras requereram o auxílio de um martelo para realizar uma primeira
trituração, seguida de uma desaglomeração mais fina no almofariz.
O equipamento utilizado encontra-se especificado no item 3.1.4.3 e as amostras analisadas são
apresentadas na Tabela 3.4. Têm-se as porções inferior, média e superior, extraídas de cada
ensaio de determinação de condutividade hidráulica e ainda misturas que não foram extraídas
do permeâmetro. O objetivo foi perceber se a permeação de líquidos, contaminantes ou não,
resultaria em alterações nas fases cristalinas dos materiais analisados e em caso positivo,
determiná-las.
3.1.4.3 Análise por Microscopia de Varredura
A realização desse tipo de ensaio teve por finalidade visualizar as estruturas que se formaram
nas misturas SB e SCB, quando permeadas por água e as alterações que ocorreram nas
mesmas ao serem contaminadas por H
2
SO
4
e NaOH. Na Tabela 3.4 tem-se descriminado as
amostras analisadas bem como suas principais características.
As amostras foram fragmentadas com uma pinça para fixação no porta-amostras visto que são
necessárias porções muito pequenas para procedimento da análise por SEM. Teve-se todo o
cuidado pra não modificar seu arranjo estrutural. A fixação foi feita com cola a base de
carbono, específica para este fim e identificadas como mostra a Figura 3.14.
(a) (b)
Figura 3.14 - Preparação das amostras de SB e SCB para análise por
SEM. (a) instrumentação utilizada para fixação das amostras; (b)
amostras afixadas e identificadas para procedimento do ensaio.
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136
As ampliações utilizadas foram 400, 600 e 3000 vezes. As de 400 e 600 vezes foram
empregadas para que se pudesse perceber a distribuição dos vazios ao longo da amostra e
como se combinaram estruturalmente às matérias-primas de cada mistura. Já a maior
ampliação teve por fim visualizar as alterações sofridas após a percolação de NaOH e H
2
SO
4
.
Todas as análises por Difratometria de raios-X foram realizadas no equipamento Rigaku
Diffractometer System“Geigerflex” D / max-C Series, que utiliza uma ampola de vidro com
ânodo de cobre e radiação kα.
Para análise por Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM - Scanning Electronic
Microscopy) foi utilizado o microscópio eletrônico Hitachi S4100 (Figura 3.15), no qual foi
possível ainda, realizar a análise química elementar quantitativa das amostras por EDS,
tornando possível determinar as alterações químicas ao longo da contaminação dos materiais.
Já as análises por Microscopia Eletrônica de Transmissão foram executadas no microscópio
eletrônico marca Hitachi, modelo H9000-Na, mostrado na Figura 3.16.
Figura 3.15 – Microscópio Eletrônico de Varredura Hitachi S4100
Figura 3.16 – Microscópio Eletrônico de Transmissão Hitachi H9000-
Na
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
137
No que se refere à medição de pH, todas as medições foram executadas no medidor da marca
Eutech Instruments, modelo Cyberscan 2500, UK.
Além das propriedades químicas, foi possível avaliar a variação granulométrica da bentonita e
da fração argilosa do solo sob contaminação com a utilização de um equipamento analisador
de tamanhos das partículas - Coulter, acoplado ao software LS 230,UK, seguindo o modelo
óptico Fraunhofer PIDS (Figura 3.17). O funcionamento deste aparelho consiste na colocação,
com o uso de uma pipeta, de algumas gotas da suspensão dos grãos a analisar, diluídos em
água (local assinalado na Figura 3.17b). Esta suspensão deve passar previamente por um
banho ultrassônico, por um período mínimo de 15 minutos, com a finalidade de separar os
grãos que possam estar unidos (o que poderia mascarar o resultado final da análise). Nos
resultados fornecidos pelo equipamento, a partir do software, é apresentado o percentual de
cada diâmetro registrado pelo Coulter, obtido a partir da leitura de uma amostra de 10% do
material nele depositado, dos grãos cujo diâmetro está compreendido entre 0,040 e 2000 µm.
(a) (b)
Figura 3.17 - Equipamento Coulter LS 230, UK. (a) equipamento; (b)
indicação do local de inserção da solução.
3.1.5 Determinação das propriedades químicas e mineralógicas dos
constituintes das misturas
Ainda no Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro, cada matéria-prima foi estudada
separadamente, com o objetivo de determinar as propriedades químicas e mineralógicas,
quando contaminados por soda cáustica (NaOH) e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) ou não, com o
objetivo de auxiliar na compreensão do comportamento mecânico e hidráulico das misturas
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138
SB e SCB permeadas por água destilada ou pelos contaminantes já citados. As análises
realizadas são mostradas na Tabela 3.5.
Tabela 3.5 – Resumo de análises químicas das matérias-primas
Matérias-primas
Ensaios e Análises
Cimento SRAB
Bentonita
Sódica
Monitoramento da Temperatura da reação de Hidratação X
Verificação do Desenvolvimento das Reações de
Hidratação
X
Difração de Raios-x X X X
Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) X X X
Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) X X X
Análise Química Elementar (EDS) X X X
Análise Térmica Diferencial (ATD) X X
Medição do pH X X
Reologia X
Variação Granulométrica (COULTER) X
*
X
*
- foi analisada apenas a fração argilosa
As análises por ATD e ATG foram realizadas em atmosfera de ar a uma velocidade de
aquecimento de 10ºC por minuto até 1000ºC. Foi utilizado o equipamento de ATD-TG,
SETARAM LABSYS. As amostras foram colocadas num cadinho de alumina com
capacidade de 100 mg e foram utilizados termopares Pt-Rh 6/30.
Os ensaios de Reologia foram realizados com amostras de bentonita, hidratadas e
contaminadas por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH). Para execução dos ensaios
foi utilizado o reômetro Carri-med 500 CSL, UK.
Os equipamentos utilizados para a realização dos demais ensaios e análises apresentadas na
Tabela 3.5 e encontram-se especificados no item 3.1.4. Os procedimentos de ensaio para cada
matéria-prima estudada são apresentados a seguir.
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
139
3.1.5.1 Cimento
Tendo conhecimento das principais características do cimento utilizado (itens 2.4.1 e 3.2.1),
partiu-se para a investigação de suas propriedades sob contaminação, a fim de conhecer qual a
sua contribuição no desempenho das misturas SCB. Neste estudo variou-se ainda a relação
água/cimento, com o objetivo de mensurar o grau de interferência dessa propriedade no
desempenho do material.
Foram realizados ensaios de monitoramento da temperatura da reação de hidratação do
cimento e verificação do desenvolvimento das reações por EDS, ATD e Difração de Raios-X.
A descrição desses ensaios é apresentada a seguir.
3.1.5.1.1 Monitoramento da temperatura da reação de hidratação do cimento.
Os compostos do cimento Portland são produtos de reações de alta temperatura que não estão
em equilíbrio e por isso, encontram-se em um estado de energia elevada. Quando um cimento
é hidratado, os compostos reagem com a água para atingir estados estáveis de baixa energia, e
o processo é acompanhado pela liberação de calor. Em suma, as reações de hidratação dos
compostos do cimento Portland são exotérmicas.
A quantidade total de calor liberado e as taxas de liberação de calor pela hidratação dos
compostos individuais podem ser usadas como índices de sua reatividade. Os dados dos
estudos de calor de hidratação podem ser usados para caracterizar o comportamento de pega e
endurecimento do cimento.
A fim de verificar a reatividade do cimento através do calor de hidratação foi montado no
Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro – Portugal, um sistema de aquisição de
dados ligado ao um computador (Figura 3.18) que permitiu a aferição contínua da temperatura
da reação de hidratação do cimento durante 24 horas, registrando os valores em intervalos de
10 minutos. As composições estudadas são as indicadas na Tabela 3.6, sendo que, em todos os
ensaios, foi utilizada a mesma quantidade de cimento.
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
140
Figura 3.18 – Etapas do ensaio realizado para monitoração da
temperatura de reação do cimento
Tabela 3.6 – Quantidade de matérias-primas nas misturas com
cimento
Mistura cimento
H
2
O NaOH H
2
SO
4
Outros materiais
Teor de
umidade
Relação
a/c
1 52,50g 15,75g
- - - 30% 0,3
2 52,50g 52,50g
- - - 100% 1
3 52,50g - 52,50g
- - 100% 1
4 52,50g - 52,50g
- 100% 1
5 52,50g 210g - -
132,3 g de arenito
e 25,2 g de
bentonita
100% 4
A fixação da quantidade de cimento teve por finalidades: padronizar os ensaios, possibilitar a
avaliação da influência da relação água/cimento, da umidade e da inserção de outros materiais
ao cimento no calor de hidratação. A utilização de NaOH e H
2
SO
4
, com concentrações iguais
a 5%, teve por objetivo avaliar a influência dessas substâncias na temperatura de cura e
conseqüentemente, na obtenção de resistência do cimento mediante contaminação.
As misturas foram executadas num misturador elétrico, a velocidade moderada, adicionando-
se os sólidos (cimento, solo arenito e bentonita, quando aplicáveis) previamente misturados, à
água. A mistura era feita num período de 1 minuto com a finalidade de obter as primeiras
leituras do calor de hidratação do cimento com maior precisão. Foi feita num copo e a pasta
assim preparada foi transferida para um pequeno saco de plástico e colocada no interior do
reator construído em poliestireno expandido devidamente isolado com lã de vidro. Finalmente
inseriu-se na pasta de cimento (ou solo/cimento/bentonita) a sonda de medição de temperatura
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
141
(Figura 3.19a), fechou-se o reator e iniciou-se a aquisição de dados através do sistema ligado
ao computador no qual era registrada uma leitura a cada 10 minutos por 24 horas (Figura
3.19b). Para todos os ensaios de hidratação obteve-se o traçado das curvas de temperatura
versus tempo, T = f(t).
(a) (b)
Figura 3.19 - Sistema de aquisição de dados para monitoração da
temperatura da reação de hidratação do cimento. (a) reator onde foi
colocada a amostra; (b) software em funcionamento – registro das
temperaturas durante a hidratação.
As quantidades de bentonita, água e arenito da mistura 5 (ver Tabela 3.6) foram determinadas
segundo as proporções utilizadas nas misturas SCB ensaiadas no permeâmetro de parede
rígida, ou seja, 12% de bentonita sobre o total de sólidos, teor de umidade igual a 100% e
relação água/cimento igual a 4. Na mistura 1, a quantidade de água foi estabelecida a partir de
uma relação água/cimento utilizada freqüentemente (Odler, 1998); na mistura 2, buscou-se
fixar o teor de umidade igual ao da mistura 3, a fim de verificar a influência da inserção de
outros materiais ao cimento, no calor de hidratação.
Um fator que pode ser utilizado é designado índice de inibição, I, sendo definido da seguinte
forma (Moslemi and Lim, 1984):
p
p
p
p
p
p
S
SS
T
TT
t
tt
I
max
maxmax
max
maxmax
max
maxmax
100
−
⋅
−
⋅
−
⋅= Equação 3.5
Sendo t
max
o tempo necessário para atingir a temperatura máxima no processo de hidratação
do cimento, T
max
a temperatura máxima atingida e S
max
o declive máximo da curva
temperatura versus tempo. O índice p refere-se à mistura cimento e água.
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
142
O procedimento experimental aplicado para a determinação das curvas é semelhante ao
descrito anteriormente para os outros fatores já indicados, com a diferença da grandeza
medida. Os valores utilizados para o cálculo de I foram coletados durante a realização deste
ensaio. Quanto menor for o índice I, maior será a compatibilidade entre a substância e o
material analisado, ou seja, mais próxima estará a curva de hidratação da mistura cimento e
contaminante considerada, da obtida com cimento e água apenas.
Podem ser utilizados parâmetros mais simples para a classificação das espécies baseados na
curva de temperatura versus tempo do processo de hidratação da mistura cimento e
contaminante. Utilizar parâmetros retirados da curva de hidratação, como a temperatura
máxima de hidratação, T
max
e o tempo necessário para atingir, t
max
, é um método simples que
utiliza assim uma medida quantitativa direta do efeito inibidor de cada espécie (Miller &
Moslemi, 1991b, Moslemi, 1991a, 1991b; Wei et al., 2000). Uma das classificações sugeridas
com base nestes parâmetros classifica as espécies da seguinte forma:
a) espécies menos inibitórias onde a temperatura máxima atingida é
superior a 50ºC e o tempo para alcançá-la menor que 10 horas;
b) espécies moderadamente inibitórias em que a temperatura máxima
é superior a 40ºC e inferior a 50 ºC, e o tempo para alcançá-la
inferior a 15 horas e superior a 10 horas;
c) espécies altamente inibitórias em que a temperatura máxima é
inferior a 40ºC ou que necessitam de um tempo superior a 15 horas
para alcançá-la (Wei et al., 2000).
O Índice de Inibição foi determinado como o objetivo de auxiliar na descrição do
comportamento das misturas SCB mediante contaminação.
3.1.5.1.2 Verificação do desenvolvimento das reações de hidratação do cimento por
Difração de Raios-X e ATD
O desenvolvimento das reações de hidratação do cimento ao longo do tempo foi
acompanhado por duas técnicas de análise: Difração de Raios-X (DRX) e Análise Térmica
Diferencial (ATD). O objetivo foi o de detectar possíveis diferenças entre os processos de
hidratação ocorridos a partir de diferentes teores de umidade, na presença de solo, ou
bentonita, e também quando da sua contaminação por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) ou soda
cáustica (NaOH).
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
143
Para realização dessa análise foram confeccionadas 5 placas de cimento cujas características
são apresentadas nas Tabelas 3.6 e 3.7. Cada placa foi executada com o auxílio de um
misturador elétrico (Figura 3.18) e as quantidades de cimento, bentonita, SRAB e água
utilizadas constam na Tabela 3.7. Após a mistura, a solução foi colocada dentro um saco
plástico como mostra a Figura 3.20a e, este momento considerou-se o tempo (ou idade) zero
do ensaio. O saco plástico foi deitado sobre a mesa e buscou-se espalhar a mistura no seu
interior de modo que não ficasse nenhuma bolha de ar. Nas placas em que o teor de umidade
foi 400% usou-se um Becker como suporte para o saco plástico e fechou-se sua extremidade
com uma fita adesiva para que o teor de umidade se mantivesse (Figura 3.20b). Com o auxílio
de um cronômetro, passou-se a retirar amostras para análise por Difratometria de Raios-X e
ATD nas idades especificadas na Tabela 3.7. Na mesma Tabela constam, ainda, a forma como
foram identificadas e as características de cada placa.
A cada idade estabelecida (Tabela 3.7) retirou-se uma amostra, mergulhando-a depois em
etanol (Figura 3.20c). O frasco foi agitado de tempos em tempos por 30 minutos a fim de que
as reações de pega do cimento cessassem. Na seqüência, utilizando um funil e filtro de papel,
filtrou-se a mistura com o uso de uma bomba de vácuo (Figura 3.20d). A amostra de cimento,
retida no papel filtro foi colocada na estufa a 60º C, permanecendo lá até a constância de
massa em 3 medições sucessivas. Depois, foi colocada em um frasco, identificada e
hermeticamente fechada, para recolhimento no dessecador.
Tabela 3.7 – Características das porções extraídas de placas de
cimento para análise por DRX
TIPO DE AMOSTRA SIGLAS 10 min. 20 min. 30min. 2h. 8h. 1 dia 3 dias 7 dias
cimento - Fa/c = 0,3 - 30% umid.- (água-H
2
O) C C1 C2 C3 C4 C7 C9 C12 C16
cimento - Fa/c = 4 - 400% umid.- (água-H
2
O)
CA
CA1
CA2
CA3
CA4
CA5
CA6
cimento - Fa/c = 4 - 400% umid.- (soda cáustica-NaOH)
CC
CC1
CC2
CC3
CC4
CC5
CC6
cimento - Fa/c = 4 - 400% umid.- (ác. Sulfúrico - H
2
SO
4
)
CB
CB1
CB2
CB3
CB4
CB5
CB6
solo + cimento + bentonita - Fa/c = 4 - 100% umid.
(água-H
2
O) SCB SCB1 SCB2 SCB3 SCB4 SCB5 SCB6 SCB7 SCB8
Amostra para difratograma de raios-x
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
144
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3.20 - Preparação das amostras para DRX. (a) placa composta
por uma mistura de cimento e água - relação água/cimento igual a 0,3;
(b) mistura composta de cimento e água – relação água/cimento igual
a 4; (c) amostra imersa em etanol; (d) filtragem da amostra com uma
bomba de vácuo.
Antes da análise por DRX e ATD, cada amostra foi passada pela peneira de malha Ø150 µm a
fim de obter resultados mais confiáveis devido às dimensões das partículas geradas.
3.1.5.1.3 Microscopia Eletrônica de Varredura
Este ensaio permite observar a microestrutura de superfícies a níveis próximos de 10 nm e
ampliar estruturas em até 10.000 vezes. Nesta investigação a análise foi realizada pelo sistema
de elétrons secundários, sendo que, cada amostra foi ampliada a dois níveis apenas. O
primeiro nível para que se pudesse ter idéia da estrutura como um todo e o segundo para que
fosse possível perceber detalhadamente o arranjo estrutural resultante das misturas
cimento/H
2
O, cimento/H
2
SO
4
e cimento/NaOH, o efeito do contaminante, do teor de umidade
e da relação água/cimento sobre o cimento.
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
145
A Microscopia Eletrônica de Varredura foi obtida a partir de pequenas porções extraídas das
placas resultantes da realização dos ensaios descritos nos itens 3.1.5.1.1 e 3.1.5.1.2. A
composição de cada placa, bem como, suas características são apresentadas na Tabela 3.7.
Durante as sessões de Microscopia Eletrônica de Varredura, também foi realizada análise
química quantitativa elementar por EDS (EDS - Energy Dispersive Spectroscopy) das
amostras com idade igual a 7 dias a fim de perceber as diferenciações ocorridas no teor dos
principais elementos químicos que compõem o cimento, quando contaminado por ácido
sulfúrico e soda cáustica.
3.1.5.1.4 Microscopia Eletrônica de Transmissão e Análise Química Elementar
Realizou-se esta análise com o objetivo de conhecer a morfologia e constituição química elementar
das partículas (individualmente) que caracterizaram o cimento CP V – ARI quando hidratado,
contaminado por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) ou por soda cáustica (NaOH) nos 7 dias de idade.
As amostras observadas foram extraídas das frações resultantes dos ensaios de verificação do
desenvolvimento das reações de hidratação do cimento (item 3.1.5.1.1). Foram analisadas as
amostras denominadas: CA6, CB6 e CC6 (ver Tabela 3.7). Dessa forma, foi possível perceber
as alterações microestruturais do cimento hidratado sob relação água/cimento igual a 4, sob
contaminação a alto e baixo pH (NaOH e H
2
SO
4
).
Determinou-se também, no mesmo aparelho, as propriedades químicas elementares de cada
uma das amostras.
3.1.5.2 Bentonita
3.1.5.2.1 Preparação de Amostras
Para a realização dos ensaios descritos nos itens 3.1.5.2.2, 3.1.5.2.3, 3.1.5.2.4, 3.1.5.2.5,
3.1.5.2.6, 3.1.5.2.7, 3.1.5.2.8 e 3.1.5.2.9 foi necessário preparar amostras hidratadas e
contaminadas por ácido sulfúrico e soda cáustica, ambos na concentração utilizada nos
ensaios de permeabilidade, ou seja, 5%.
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
146
Sabendo-se da origem da bentonita utilizada neste estudo e tendo conhecimento prévio de seu
comportamento através dos ensaios realizados no permeâmetro de parede rígida, optou-se por
realizar a contaminação da bentonita através de procedimento a seguir:
a) a suspensão foi executada com um misturador elétrico (Figura
3.21) a baixa velocidade, acrescentando-se bentonita à água.
Utilizou-se 5,10 g de bentonita e 42,49 g de água, quantidades
proporcionais às utilizadas na mistura SB dos ensaios de
condutividade hidráulica. A suspensão foi colocada num moinho
de rolos com a finalidade de obter homogeneidade dos grãos de
bentonita no que se refere à hidratação;
b) depois de 24 horas foi adicionada 24,42 g de água à mistura, massa
proporcional à média aritmética da água absorvida pelas amostras
durante os ensaios de determinação de permeabilidade com a
mistura SB, como é mostrado na Equação 3.6, a fim de hidratar a
bentonita;
c) colocou-se a suspensão novamente no moinho de rolos;
d) no quinto dia, acrescentou-se à mistura 68 ml de contaminante,
quantidade equivalente à soma do volume de água com o volume
de bentonita (calculado a partir da massa específica real dos grãos)
existentes na suspensão. Esta quantidade buscou garantir a
contaminação do material, o que foi comprovado posteriormente
pela análise por DRX. Para que fosse possível avaliar as alterações
na bentonita, em conseqüência da contaminação, foi acrescentado
68 ml de água em uma das amostras, em substituição ao
contaminante, para posterior comparação. Após colocou-se
novamente as misturas no moinho de rolos.
[ ]
)(2/)(..
)
(
)(.
2
gOHSBamostrasgbentonitaPermEnsMédia
g
Bentonita
gOHQuant
retido
= Equação 3.6
Foram preparadas nove amostras em pequenos frascos (Figura 3.21), conforme descrito
acima, retirando-se do moinho, uma a uma, nesta seqüência: primeiro e quinto dia de
hidratação foi acrescentada água em uma das amostras restantes e, nas outras seis,
contaminante - metade com ácido sulfúrico e a outra metade com soda cáustica; no sexto,
nono e décimo segundo dia, foram retiradas do moinho, inclusive a amostra apenas hidratada.
Era medido o pH da amostra ao retirá-la do moinho. Depois eram retiradas frações para
análise granulométrica, ensaio de reologia e Microscopia Eletrônica de Transmissão (somente
no décimo segundo dia), o restante era colocado na estufa em temperatura igual a 60º C até a
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
147
obtenção de constância de massa. Posteriormente cada amostra era partilhada em frações para
análise, através de Microscopia Eletrônica de Varredura, ATD e Difração de Raios-X.
Figura 3.21 – Preparação da suspensão contendo bentonita
Segundo Sridharan et al. (1987), a contaminação da bentonita por substâncias ácidas ou
alcalinas ocorre depois de 7 dias em contato com o contaminante.
3.1.5.2.2 Medição do pH
Foram medidos simultaneamente, pH e temperatura da suspensão, antes e depois da
contaminação nas idades descritas no item 3.1.5.2.1. A medição ocorria tão logo cada amostra
fosse retirada do moinho, utilizando o equipamento especificado no item 3.1.4.
O pH é fator influente a partir de valores acima de 10. Entre 10 e 12 a argila flocula com
aumento brusco de viscosidade. A partir disso, ela desidrata quase que totalmente (Pereira,
2005). Daí a importância de verificar o pH durante o processo de hidratação e contaminação.
3.1.5.2.3 Variação granulométrica
A bentonita aumenta seu volume sempre que a ela for adicionada água. Com a finalidade de
perceber a partir de que idade teria volume constante, e também perceber as variações que
poderiam ocorrer quando a mesma estivesse contaminada, realizou-se o ensaio de variação
granulométrica.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
148
No Coulter, especificado no item 4.5, foi determinada a granulometria da bentonita desde a
forma de pó, até depois de executada a suspensão contendo bentonita e água, ou ácido
sulfúrico (H
2
SO
4
) a concentração de 5% ou soda cáustica (NaOH) na mesma concentração. A
granulometria foi determinada nas idades apresentadas no item 4.5.2.1.
3.1.5.2.4 Análise por Difração de Raios-X
Executaram-se amostras hidratadas e contaminadas como consta no item 4.5.2.1. Retiradas
nas idades especificadas na Tabela 3.7 e secas na estufa a 60
o
C, elas foram ligeiramente
moídas com o auxílio de um almofariz para só então serem analisadas no equipamento
especificado no item 4.5.
3.1.5.2.5 Análise Química Elementar
Através da análise química elementar por EDS é possível determinar os elementos químicos
encontrados em cada amostra em porcentagem. Os resultados disponibilizados pelo aparelho
podem ser representados na forma de tabela e espectro.
No ato da obtenção das imagens microscópicas realizou-se a análise química elementar
quantitativa de algumas amostras de bentonita sódica. Parte dos resultados obteve-se a partir
da Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) e outros por Microscopia Eletrônica de
Transmissão de alta resolução (HRTEM). Os resultados obtidos foram apresentados na forma
de espectros.
3.1.5.2.6 Análise térmica diferencial
O material utilizado para a ATD foi retirado das amostras preparadas para análise por DRX.
Foram investigados apenas os espécimes que passaram 7 dias em contato com o contaminante
e a amostra hidratada por 12 dias.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
149
3.1.5.2.7 Ensaios de reologia
O objetivo da realização desses ensaios foi possibilitar a descrição das relações entre as
tensões e as deformações, as chamadas leis de comportamento ou leis constitutivas. As
propriedades que podem ser determinadas através da reologia estão descritas no item 2.3.3.
Foram analisadas amostras retiradas: logo depois de executada a suspensão e nas idades
mostradas na Tabela 3.7.
Tabela 3.8 – Amostras de bentonita sódica e análises executadas
Amostra Idade da amostra Análises
1
Tempo 0 (ao final da
mistura)
Ensaio de Reologia, pH, Variação Granulométrica
2 1 dia
Ensaio de Reologia, pH, Variação granulométrica, Microscopia Eletrônica
de Varredura
3 5 dias
Ensaio de Reologia, pH, Variação granulométrica, Microscopia Eletrônica
de Varredura
4 (H
2
O) 6 dias
Ensaio de Reologia, pH, Variação granulométrica, Microscopia Eletrônica
de Varredura, Difração de rios raios-X
5 (H
2
SO
4
)
6 dias - 1 dia de
contaminação
Ensaio de Reologia, pH, Variação granulométrica, Microscopia Eletrônica
de Varredura, Difração de Raios-X
6 (NaOH)
6 dias - 1 dia de
contaminação
Ensaio de Reologia, pH, Variação granulométrica, Microscopia Eletrônica
de Varredura, Difração de Raios-X
7 (H
2
SO
4
)
9 dias – 4 dias pós-
contaminação
Ensaio de Reologia, pH, Variação granulométrica, Microscopia Eletrônica
de Varredura, Difração de Raios-X
8 (NaOH)
9 dias – 4 dias pós-
contaminação
Ensaio de Reologia, pH, Variação granulométrica, Microscopia Eletrônica
de Varredura, Difração de Raios-X
9 (H
2
SO
4
)
12 dias – 7 dias pós-
contaminação
Ensaio de Reologia, pH, Variação granulométrica, Microscopia Eletrônica
de Varredura, Difração de Raios-X, Microscopia Eletrônica de
Transmissão, Análise Térmica Diferencial
10(NaOH)
12 dias – 7 dias pós-
contaminação
Ensaio de Reologia, pH, Variação granulométrica, Microscopia Eletrônica
de Varredura, Difração de Raios-X, Microscopia Eletrônica de
Transmissão, Análise Térmica Diferencial
11(H
2
O)
12 dias -7 dias pós-
hidratação
Ensaio de Reologia, pH, Variação granulométrica, Microscopia Eletrônica
de Varredura, Difração de Raios-X, Microscopia Eletrônica de
Transmissão.
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
150
3.1.5.2.8 Análise por Microscopia de Varredura (SEM)
Durante o processo de hidratação e contaminação da bentonita sódica foram retiradas
amostras para análise no Microscópio Eletrônico de Varredura, como apresentado na Tabela
3.7, a fim de perceber as alterações micro estruturais da bentonita durante o processo de
hidratação e contaminação e comparar com as imagens obtidas a partir das amostras do tipo
SB e SCB.
3.1.5.2.9 Análise por Microscopia Eletrônica de Transmissão
Com o objetivo de perceber as alterações sofridas na microestrutura da bentonita sódica sob
contaminação, amostras hidratadas e contaminadas foram analisadas (amostras 9, 10 e 11 –
ver Tabela 3.7). Determinou-se ainda, no mesmo aparelho, as propriedades químicas
elementares de cada uma delas.
3.1.5.3 Solo
A absorção pelo solo de substâncias contaminantes causa ao mesmo desempenho diferenciado
no que se refere às suas propriedades físicas e seu comportamento, mecânico e hidráulico.
Estas mudanças podem gerar colapso nas estruturas de fundação nele edificadas e a mudança
de comportamento de selantes de aterros sanitários. Uma das soluções encontradas para
impedir a disseminação de contaminantes é a mistura cimento-bentonita, utilizada em
barreiras, com o objetivo de evitar a contaminação do lençol freático ou de áreas específicas.
Entretanto, estas misturas podem conter ainda, em sua constituição, o solo proveniente do
local onde deverão ser inseridas.
3.1.5.3.1 Seleção das amostras
Para melhor entendimento do processo de contaminação do solo e a sua contribuição no
desempenho das misturas SB e SCB foram separadas para contaminação: a fração de areia
média (0,042 a 2,0 mm), a fração de solo encontrada em maior proporção, ou seja, o silte
(0,002 a 0,0075 mm) e a fração argilosa (<0,002 mm), que é responsável pela retenção de
contaminantes, juntamente com a bentonita, quando utilizada nas barreiras hidráulicas.
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
151
Estas três frações foram testadas nas mesmas condições que a bentonita sódica (meio ácido, neutro e
alcalino) por 7 dias com vista a compreender o efeito dos contaminantes em cada uma delas.
Passados 7 dias, as amostras foram colocadas em uma estufa à temperatura de 60oC até
obterem constância de massa. Sendo, após, preparadas para análise por Difratometria de
Raios-X, Microscopia Eletrônica de Varredura e Microscopia Eletrônica de Transmissão. As
análises realizadas encontram-se descritas nos itens 3.1.5.3.2, 3.1.5.3.3, 3.1.5.3.3, 3.1.5.3.4,
3.1.5.3.5 e 3.1.5.3.6.
3.1.5.3.2 Medição de pH
No medidor de pH (especificado no item 3.1.4) foram medidos simultaneamente, pH e
temperatura de cada suspensão, antes e depois da contaminação. Cada fração foi dividida em
3 partes, sendo adicionado ácido sulfúrico na concentração de 5%, soda cáustica, na mesma
concentração e água, respectivamente.
Nas amostras em que se adicionou água a medição de cada fração foi realizada seguindo o
procedimento descrito por Moncada (2004) na proporção 1:1 em massa na relação água/solo e
nas amostras em que foram adicionados contaminantes, tinha-se a proporção de 3:1 em massa
na relação contaminante/solo. O aumento na proporção do ácido e da soda cáustica teve por
objetivo garantir a contaminação do material, visto que a concentração dos mesmos era baixa.
Acompanhou-se o processo por 7 dias, nas idades: 0, 1 dia, 4 dias e 7 dias, pós-contaminação.
No final do ensaio as amostras foram colocadas na estufa à temperatura de 60ºC a fim de
obter as frações de solo contaminadas sem umidade. Constatada a constância de peso, as
amostras foram embaladas e armazenadas no dessecador.
O tempo de ensaio empregado para o entendimento do comportamento do solo mediante
contaminação foi o mesmo utilizado para a bentonita com o propósito de manter uma
padronização nos ensaios com os materiais envolvidos na mistura.
3.1.5.3.3 Difração de Raios-X
Com o objetivo de perceber as fases cristalinas existentes em cada fração de solo (descrita no
item 3.1.5.3.1) e quais permaneceram após a contaminação, realizou-se a análise por
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152
difratometria de raios-x das amostras com e sem contaminação. A contaminação das amostras
ocorreu como consta no item 3.1.5.3.1 e 3.1.5.3.2. Antes de executar a análise, as amostras
que apresentavam grânulos foram passadas na peneira de 150 m buscando-se obter uma
maior confiabilidade nos resultados. Todas as análises foram realizadas no equipamento
especificado no item 3.1.4.
3.1.5.3.4 Microscopia Eletrônica por Varredura (SEM)
Primeiramente, contaminaram-se as amostras de solo (especificadas no item 3.1.5.3.1). A
contaminação foi realizada como consta no item 3.1.5.3.1 e 3.1.5.3.2. Depois de retiradas do
dessecador, foram afixadas em fitas de carbono do tipo dupla-face, e preparadas com
deposição de grafite, para análise por Microscopia Eletrônica de Varredura. No mesmo
microscópio foi realizada a análise química quantitativa elementar das amostras por EDS com
o objetivo de determinar as alterações ocorridas na composição química de cada fração de
solo depois do contato com os contaminantes.
3.1.5.3.5 Microscopia Eletrônica por Transmissão
Apenas a fração argilosa do arenito foi analisada por microscopia de transmissão devido ao
princípio de funcionamento do aparelho, no qual só é possível observar amostras extremamente
finas. Foram examinadas amostras sem contaminação, contaminadas por ácido sulfúrico e por soda
cáustica. O equipamento utilizado nessas análises foi especificado no item 3.1.4.
3.1.5.3.6 Variação granulométrica
Após a separação do solo em três frações: areia média (0,042 a 2,0 mm), silte (0,002 a 0,0075
mm) e fração argilosa (<0,002 mm), a fração argilosa foi tomada para determinação da
variação granulométrica da mesma. As análises foram realizadas no equipamento Coulter
(Figura 3.17).
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
153
3.1.6 Análise Química dos Lixiviados
Como critérios para a análise química foram coletados apenas os lixiviados provenientes de
misturas cujo coeficiente de condutividade hidráulica (k) obtido durante o ensaio teve valor
igual ou menor a 10
-8
m/s, valor a partir do qual pode-se considerar a barreira hidráulica,
contendo solo, cimento e bentonita, eficiente, segundo Mutch et al. (1997) (item 2.2.3). No
caso, as misturas do tipo SCB percoladas por NaOH e H
2
SO
4
.
Os lixiviados, resultantes da percolação de ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH)
nas misturas SCB foram analisados por Espectofotometria (método turbidimétrico), a fim de
avaliar a eficiência das mesmas. Através da Espectofotometria é possível determinar os teores
de sulfatos e Sódio (Na) de uma solução.
Assim que, foram analisados o ácido sulfúrico a concentração de 5% e soda cáustica na
mesma concentração para posterior comparação e avaliação a respeito da eficiência do
material geotécnico pesquisado (mistura SCB). Ao determinar os teores de sulfatos e sódio
dos lixiviados foi possível, por comparação dos valores obtidos, verificar a eficiência da
mistura no que se refere ao seu poder de retenção das substâncias citadas.
Os ensaios realizados, cujos resultados são apresentados nos Capítulos 5, 6 e 7, possibilitaram
determinar e explicar o comportamento das barreiras de contenção (contendo solo-bentonita
ou solo-cimento-bentonita) frente à ação de contaminantes de extremo pH (próximos de zero
ou quatorze).
3.2 PROPRIEDADES FÍSICAS DAS MATÉRIAS-PRIMAS
Este item apresenta os materiais utilizados na pesquisa, descrevendo a sua procedência, suas
principais características, bem como as propriedades físicas de cada um dos materiais que
compõem o novo material geotécnico (material de preenchimento) a ser utilizado na execução
de barreiras hidráulicas (misturas SB e SCB).
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154
3.2.1 Cimento
O cimento utilizado neste estudo denomina-se Cimento Portland de Alta Resistência Inicial
(CP V-ARI), marca Cauê. É produzido no Brasil. Segundo o produtor, em três dias atinge a
resistência que os cimentos comuns só atingem em 28 dias. A comparação entre o
desempenho deste tipo de cimento, o cimento comum e a especificação da Norma Brasileira é
apresentada na Figura 3.22 e na Tabela 3.8.
Resistência mecânica à compressão
(MPa)
(fonte: Cimento Cauê Estrutura (CPV-ARI), 2006)
Figura 3.22 – Resistência mecânica à compressão do cimento CPV-
ARI
Dados fornecidos pela empresa Cimento Cauê indicam uma massa específica real dos grãos
de 30,9 kN/m
3
, para este tipo de cimento.
Knop (2003), que utilizou o mesmo tipo de cimento em sua investigação, determinou as
propriedades apresentadas na Tabela 3.10. Na mesma são apresentadas as propriedades físicas
do cimento.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
155
Tabela 3.9 – Massa específica e resistência mecânica à compressão
simples do cimento CP V - ARI
Finura
Tempo de
pega
Resistência à compressão
Massa específica
(kg / m³ )
Início
(min)
Fim
(min)
1 dia
(MPa)
3 dias
(MPa)
7 dias
(MPa)
28 dias
(MPa)
Média 3,11 195 296 23,5 39,2 45,2 53,3
Mínimo 3,11 165 258 22,1 37,8 41,6 51,4
Máximo 3,11 218 365 25,2 41,8 47,2 53,6
Desvio Padrão 0,00 14 27 0,9 0,9 1,2 1,3
(fonte: Feuerharmel, 2000
apud
Knop, 2003)
Utilizando uma amostra de cimento CP-V ARI in natura foi realizada a análise por Difração de
Raios-X cujo resultado é apresentado na Figura 3.23. Verificou-se a existência de silicato
tricálcico - Ca
3
SiO
5
(C
3
S), silicato bicálcico - Ca
2
SiO
4
(C
2
S), aluminato tricálcico - Ca
3
Al
2
O
6
(C
3
A), sulfato de cálcio – CaSO
4
e aluminoferrato de cálcio -Ca
2
Fe.28Al.72O
5
. As abreviaturas
apresentadas nas legendas da Figura estão de acordo com o que se costuma utilizar na química
do cimento, ou seja, C = CaO; S = SiO
2
; A = Al
2
O
3
; F = Fe
2
O
3
; S = SO
3
e H = H
2
O.
Além disso, foi determinada a morfologia de grãos do cimento utilizado por microscopia
eletrônica de varredura. O resultado obtido é apresentado na Figura 5.11.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
156
0
2000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
-Ca
3
SiO
5
(C
3
S) - Ca
2
SiO
4
(C
2
S) - Ca
4
(A,F) - CaSO
4
- Ca
3
Al
2
O
6
(C
3
A) -CaSO
4
.2H
2
O
Figura 3.23 – Difratograma do cimento CP V ARI in natura
3.2.2. Bentonita
A bentonita utilizada neste estudo é do tipo sódica, procedente da mina explorada de Lajeado
(antiga Lages) pela Empresa Bentonisa Bentonita do Nordeste, localizada em Boa Vista,
estado da Paraíba. A caracterização química foi fornecida pela própria Empresa, e é
apresentada na Tabela 3.11.
As informações fornecidas pela Empresa, bem como, os dados obtidos no estudo realizado
por Gopipinath et al. (2003), no qual foram identificadas as diferenças inerentes na
composição química e mineralógica entre as tonalidades das cores das argilas, encontradas
nas jazidas de bentonita de Boa Vista, foram utilizadas como referência durante a realização
da investigação.
A bentonita sódica tem um poder muito maior de expansão em relação à bentonita cálcica.
Por outro lado, a segunda é a mais estável quimicamente quando exposta a certos compostos
químicos. A qualidade de uma bentonita pode ser avaliada através de medidas indiretas como:
avaliação dos limites de Atterberg e de ensaios de expansão livre. Quanto maior o limite de
liquidez e plasticidade, melhor é a qualidade da bentonita. Uma bentonita sódica de média
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
157
qualidade tem limite de liquidez entre 300 e 500% enquanto que a alta qualidade entre 500 e
700%. Os testes de expansão livre mostram que, quanto maior a capacidade de expansão da
bentonita, melhor a sua qualidade (Heineck, 2002).
Tabela 3.10 – Propriedades Químicas da Bentonita Sódica utilizada.
Propriedades %
Anidrido Sílico (SiO
2
) 63,40
Óxido de Alumínio (Al
2
O
3
) 15,70
Óxido de ferro (FeO) 6,42
Óxido de magnésio (MgO) 2,65
Óxido de cálcio (CaO) 0,71
Óxido de sódio (Na
2
O) 2,10
Óxido de Titânio (TiO
2
) 0,65
Óxido de Potássio (K
2
O) 0,69
Perda ao fogo 7,68
(fonte: Buschle & Lepper S/A - Representante da Empresa Bentonisa Bentonita do
Nordeste em Santa Catarina)
Os ensaios realizados no ENVIRONGEO basearam-se nas normas apresentadas na Tabela
3.1. Foram determinados a distribuição granulométrica da bentonita e seus índices físicos,
apresentados na Figura 3.24 e Tabela 3.12, respectivamente. A variação granulométrica da
bentonita utilizada também foi acompanhada através de um aparelho eletrônico que possui
esta propriedade denominado COULTER (ver item 4.5.2.3). No que se refere aos índices
físicos, o alto valor do limite de liquidez encontrado (Heineck, 2002), bem como os resultados
obtidos através dos ensaios reológicos comprovam a boa qualidade desta matéria-prima.
Tabela 3.11 – Índices físicos da bentonita sódica
Limite de
liquidez (LL)
Limite de
Plasticidade (LP)
Índice de
Plasticidade (IP)
Densidade Real
dos Grãos (
( (
(G)
))
)
604,7% 139,1% 465,6% 3,08
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
158
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 100,000
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem Passante (%)
Figura 3.24 – Distribuição granulométrica da bentonita sódica
(COULTER)
As características que o material apresenta e que o torna resistente à passagem de água são: a
afinidade da bentonita com a água e sua capacidade de expansão. Sob condições confinadas,
assim como nas barreiras verticais, as partículas expandidas da bentonita são forçadas umas
contra as outras, preenchendo os vazios entre as partículas de solo, formando uma barreira
contra a passagem do fluido.
Segundo ASTM 2487, a bentonita sódica utilizada classifica-se como argila inorgânica de alta
plasticidade (CH) e, pela NBR 6502/95, como uma argila.
3.2.3. Solo
O solo utilizado nas misturas foi coletado em um talude localizado nas proximidades da
rodovia RS 240, a aproximadamente 41 km ao norte de Porto Alegre, na localidade de Vila
Scharlau, município de São Leopoldo – RS, conforme mostra a Figura 3.25.
silte
argila
areia
fina
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
159
Figura 3.25 – Localização da jazida de solo residual de arenito
Botucatu (Thomé, 1999).
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
160
Trata-se de um solo residual de arenito, pertencente à formação Botucatu. Constitui-se de uma
areia fina siltosa, mal graduada, fracamente plástica. Embora o solo seja considerado na mistura
como um agregado, tem-se conhecimento que alguns tipos de solo têm propriedade de adsorver
sulfatos segundo estudos realizados por Aylmore et al. (1967), Berg & Thomas (1959), Marcano-
Martinez & McBride (1989), Alves (2002) entre outros. Dependendo do teor de óxido de ferro e
alumínio, do pH característico, da composição mineralógica da fração argilosa, poderá ou não,
possibilitar um melhor desempenho da mistura.
As propriedades físicas médias do solo utilizado nesta pesquisa (Thomé, 1999) são
apresentadas na Tabela 3.13. A Figura 3.26 apresenta a curva granulométrica obtida para o
solo residual com o uso de defloculante. Verifica-se que o material é composto por 5% de
argila (<0,002mm), 38,9% de silte (0,002 a 0,075 mm) e 56,1% de areia, sendo que desta
porcentagem 47,3% é de areia fina (0,074 a 0,042 mm) e somente 8,8% é de areia média
(0,042-2,0mm). O arenito pode ser classificado geotecnicamente como uma areia siltosa,
segundo a NBR 6502 (ABNT, 1995), e como SM (areia siltosa), segundo a classificação
unificada (ASTM D 2487, 1993).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100
Percentagem retida (%)
ar.
média
areia
grossa
argila
silte
areia fina
pedregulho
Figura 3.26 - Curva granulométrica do SRAB (Foppa, 2005)
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
161
Tabela 3.12 - Índices físicos do SRAB
Índices físicos SRAB
M assa específica real dos grãos 26,5 KN/m
3
Diâmetro médio, D
50
0,09 mm
Limite de liquidez, LL
22 %
Limite de plasticidade, LP
19 %
Nuñez (1991) determinou as principais propriedades físico-químicas do solo residual, com
ênfase na mineralogia e na composição química da fração argila. Todas as análises realizadas
indicaram a predominância do argilomineral caulinita. Observa-se, também, a presença de
3,2% de hematita, que é o óxido responsável pela cor rosada característica do solo residual de
arenito Botucatu. Thomé (1999) confirmou a predominância do argilomineral caulinita
através da análise de fotomicrografias do SRAB, onde se observou a predominância de
partículas na forma de placas hexagonais, características deste argilomineral. As propriedades
físico-químicas e mineralógicas do solo estão apresentadas na Tabela 3.14.
Tabela 3.13– Propriedades físico-químicas e mineralógicas do SRAB
(Núñez, 1991)
Fração Cristalina
Caulinita
15,7%
9,2%
M icas e ilita 2,1%
Hematita 3,2%
Quartzo 1,2%
Difratograma de raio X da
fração argila
Fração amorfa 84,3%
SiO
2
9,70%
Al
2
O
3
6,69%
Análise química da
fração argila
FeO
3
1,21%
pH 4,7 (ácido)
M atéria orgânica 0,0%
Análise físico-química
do solo
CTC 3,01 mequiv/100g
_______________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
162
3.2.4 Água
A água utilizada para preparação de todas as misturas foi do tipo destilada com o objetivo de
que a mesma não tivesse nenhuma interferência no que se refere às propriedades físico-
químicas do novo material.
3.2.5 Contaminantes
Os contaminantes, soda cáustica (NaOH) e ácido sulfúrico (H2SO4), foram adquiridos em
solução a 48% e 96%, respectivamente, para posterior diluição conforme descrito no item
3.1.1). As Tabelas 3.15 e 3.16 apresentam as propriedades físico-químicas da soda cáustica e
do ácido sulfúrico empregados.
Tabela 3.14 – Propriedades físico-químicas da soda cáustica (NaOH)
Estado físico: Líquido
Cor: Translúcido, levemente acinzentado
Odor: Nenhum
pH: 14 (em soluções acima de 7,5%)
Temperatura e mudança de estado Físico:
Ponto de Fulgor:Não aplicável – Não inflamável
Pressão de vapor: 13 mm Hg a 60º C
Densidade: 1,54 g/cm
3
a 15,6º C soluções a 50%
Solubilidade em água Solúvel
Solubilidade em outros
solventes:
Solúvel em etanol, metanol e glicerol, insolúvel na
acetona e no éter.
Teor de Carbonatos: 0,10%
Teor de cloretos: 1,1%
Teor de cloratos: 0,20%
Ferro: 5 ppm
(fonte: Fabricante Quimex)
_______________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
163
Tabela 3.15 – Propriedades físico-químicas do ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
)
Estado Físico: Líquido viscoso
Cor: Varia do incolor até uma coloração levemente amarelada
Odor: Inodoro
pH: Aproximadamente zero.
Produto extremamente cáustico e corrosivo
Temperatura e mudança de estado Físico:
Ponto de Ebulição: 338º C
Ponto de Fulgor: 340º C
Ponto de Ignição: Não disponível
Ponto de Fusão: 3º C
Densidade a 20/4 °C: 1,820 g/cm
3
mín
Solubilidade em água: Total
Peso molecular: 98,08
Limite de explosividade: Não disponível
Máximo de Impurezas
Amônia – NH
4
2 ppm
Arsênico - As 0,01 ppm
Cloretos – Cl 0,2 ppm
Ferro – Fe 0,2 ppm
Mercúrio – Hg 5 ppm
Metais pesados (com Pb) 1 ppm
Nitrato – NO
3
0,5 ppm
Resíduo após ignição 5 ppm
Substâncias que reduzem
permanganato
2 ppm
Teor de Ferro 30,0 mg/kg máx.
(fonte: Fabricante Quimex)
4. PROPRIEDADES HIDRÁULICAS E MECÂNICAS DAS MISTURAS
DO TIPO SB E SCB - RESULTADOS E ANÁLISES
A determinação das propriedades físicas e químicas dos materiais sem contaminação, bem
como as alterações sofridas quando misturados ao H
2
SO
4
a uma concentração de 5% e NaOH,
na mesma concentração, tiveram por finalidade explicar cientificamente o comportamento
mecânico das misturas, observado sob percolação desses contaminantes. Assim que, neste
capítulo, são apresentados os resultados e a análise da investigação relativa ao comportamento
hidráulico e mecânico das misturas de solo-cimento-bentonita (SCB) e de solo-bentonita (SB)
quando percolados por água e pelos compostos químicos já citados.
4.1 MISTURA DO TIPO SCB
Entre as análises realizadas foram determinadas as propriedades hidráulicas e mecânicas da
mistura contendo SCB. Neste item serão apresentados os resultados obtidos, bem como, a
análise dos mesmos.
4.1.1 Propriedades Hidráulicas - Ensaios de Condutividade Hidráulica
Foram realizados ensaios com misturas do tipo SCB percoladas por água destilada (H
2
O),
soda cáustica (NaOH) e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
). Os gráficos gerados são apresentados nas
Figuras 4.1, 4.3 e 4.5. Nas Figuras 4.2, 4.4 e 4.6, são apresentados os resultados do
acompanhamento do pH do lixiviado, que permitiram determinar se ocorreram, ou não,
alterações no contaminante quando o mesmo entrou em contato com a mistura.
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
165
R
2
= 0,5098
R
2
= 0,7627
R
2
= 0,5245
R
2
= 0,9714
R
2
= 1
R
2
= 0,441
1,00E-10
1,00E-09
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216
t(h)
k (m/s)
ensaio 6 ensaio 9 ensaio 12 ensaio 14 ensaio 15 ensaio 17
Figura 4.1 – tempo (h) x
k
(m/s) da mistura SCB permeada por água
8
9
10
11
12
13
14
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216
t (h)
pH
ens9 H2O ens 14 H2O ens 15 H2O ens 6 H2O ens 17 H2O ens 12 H2O
Figura 4.2 – tempo (h) x pH da mistura SCB percolada por água
Observando a Figura 4.1, notam-se dois níveis diferentes de estabilidade. Esta ocorrência
pode ser explicada pelo fato das primeiras misturas terem sido realizadas manualmente e as
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
166
utilizadas nos ensaios finais executadas com o auxílio de uma batedeira elétrica, o que,
provavelmente, gerou uma maior homogeneidade na mistura e conseqüentemente um valor
mais baixo para
k
a partir da diminuição do volume de vazios da amostra. Pode-se perceber
também que, a mistura quando percolada por água adquiriu estabilidade (constância no valor
de
k
) a partir de quatro dias de percolação.
O comportamento da mistura SCB sob percolação, apresentado na Figura 4.1, justifica-se
pelas reações que se processam com o cimento durante a hidratação. Em uma pasta
endurecida de cimento, o tamanho e continuidade dos poros a qualquer ponto durante o
processo de hidratação irão controlar o coeficiente de permeabilidade. A água adicionada é
indiretamente responsável pela permeabilidade da pasta endurecida de cimento porque o seu
teor determina primeiramente o espaço total e, após, o espaço vazio, depois que a água for
consumida pelas reações de hidratação do cimento ou evaporação para o ambiente. O
coeficiente de permeabilidade da pasta de cimento recém misturada é da ordem de 10
-6
a 10
-7
m/s; com o progresso da hidratação, à medida que a porosidade capilar decai, também diminui
o coeficiente de permeabilidade, mas não há proporcionalidade direta entre os dois. Por
exemplo, quando a porosidade capilar diminui de 40 para 30 por cento, o coeficiente de
permeabilidade cai em uma proporção muito maior. Entretanto, um decréscimo adicional na
porosidade de 30 para 20 por cento geraria apenas uma pequena queda na permeabilidade.
Isto acontece porque, no início, à medida que o processo de hidratação do cimento evolui,
mesmo um pequeno decréscimo na porosidade capilar total é associada com considerável
segmentação de grandes poros, reduzindo grandemente, portanto, o tamanho e o número de
canais de fluxo na pasta de cimento. Tipicamente, em torno de 30 por cento de porosidade
capilar representa um ponto em que, as interconexões entre os poros já se tornaram tão
tortuosas que um decréscimo adicional na porosidade da pasta não é acompanhado por um
decréscimo substancial no coeficiente de permeabilidade (M ehta & M onteiro,1994).
Em geral, quando a relação água/cimento é alta e o grau de hidratação é baixo, a pasta de
cimento terá alta porosidade capilar; ela conterá um número relativamente elevado de poros
grandes e bem conectados e, portanto, o seu coeficiente de permeabilidade será alto. À
medida que a hidratação progride, a maioria dos poros será reduzida a um pequeno tamanho e
também perderão as suas interconexões; deste modo, a permeabilidade diminui. O coeficiente
de permeabilidade da pasta de cimento quando a maioria dos vazios capilares é pequena e não
interconectados é da ordem de 10
-14
m/s. Observa-se que em pastas normais de cimento a
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
167
descontinuidade na rede capilar é geralmente alcançada quando a porosidade capilar está em
torno de 30 por cento. Em pastas com a relação água/cimento de 0,4; 0,5; 0,6 e 0,7 isso
geralmente ocorre em 3, 14, 180 e 365 dias de cura úmida, respectivamente (Mehta &
M onteiro,1994).
No que se refere ao pH nota-se que, durante a percolação de água destilada seu valor varia
basicamente entre 12 e 13 (Figura 4.2). Estes resultados podem ser explicados pela presença
de cimento na mistura.
Observando a Figura 4.3, nota-se que a mistura tipo SCB ao ser percolada por água, têm
valores do coeficiente de condutividade hidráulica diminuindo lentamente. Quando a água
destilada é substituída por soda cáustica (NaOH), a condutividade hidráulica reduz ainda
mais, mas não a ponto de possibilitar a utilização deste tipo de mistura como material de
preenchimento em barreiras hidráulicas para contenção da soda cáustica.
Percebe-se ainda que, a mistura (após a hidratação) ao ser percolada por NaOH, não varia
significativamente o valor do pH
(Figura 4.4). A análise química do lixiviado e, por Difração
de Raios-x e EDS das amostras da mistura percoladas confirmaram a não retenção da soda
cáustica pela mistura SCB.
R
2
= 0,7627
R
2
= 0,8851
R
2
= 0,3372
R
2
= 0,441
R
2
= 0,9175
R
2
= 0,3389
1,00E-10
1,00E-09
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240
t (h)
k (m/s)
ens 6 H2O ens 6 NaOH ens 16 H2O ens 16 NaOH ens 17 H2O ens 17 NaOH
Figura 4.3 – tempo (h) x
k
(m/s) da mistura SCB permeada por água (H
2
O) e soda cáustica
(NaOH)
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
168
8
9
10
11
12
13
14
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240
t (h)
pH
ens 6 H2O
ens 6 NaOH
ens 16 H2O
ens 16 NaOH
ens 17 H2O
ens 17 NaOH
Figura 4.4 – tempo (h) x pH da mistura SCB permeada por água
(H
2
O) e soda cáustica (NaOH)
A Figura 4.5 mostra os resultados obtidos nos ensaios em que o ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) foi
percolado. Esses ensaios foram mais demorados pelo fato de ter ocorrido uma grande redução
no valor da condutividade hidráulica (
k
) a partir da inserção do ácido e, como se tinha por
parâmetro só terminar o ensaio após a percolação de uma quantidade de contaminante
equivalente ao dobro do volume de vazios (a garantia de que o contaminante havia
atravessado a amostra após toda saída da água antes percolada), o ensaio mais demorado
durou 21 semanas.
Todavia, mesmo o ensaio tendo ocorrido por tempo prolongado o pH do lixiviado
permaneceu básico (Figura 4.6). Este fato levou a deduzir que o ácido ficou retido na mistura.
Para que se tivesse certeza disto decidiu-se por realizar a análise do lixiviado por
Espectrofometria de Chama (apresentado no item 6.1.3) e, das amostras por M icroscopia
Eletrônica de Varredura e EDS (itens 6.1.1 e 6.1.2). Os resultados obtidos confirmaram a
presença de enxofre (S) oriundo do ácido.
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
169
R
2
= 0,7774
R
2
= 0,77
R
2
= 0,4362
R
2
= 0,4853
R
2
= 0,7802
R
2
= 0,9163
1,00E-12
1,00E-11
1,00E-10
1,00E-09
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
0 168 336 504 672 840 1008 1176 1344 1512 1680 1848 2016 2184 2352 2520 2688 2856
t (h)
k (m/s)
ens 9 H2O ens 9 H2SO4 ens 14 H2O ens 14 H2SO4 ens 15 H2O ens 15 H2SO4
Figura 4.5 – Gráfico - tempo (h) x
k
(m/s) da mistura SCB permeada
por água (H
2
O) e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
)
8
9
10
11
12
13
14
0
168
336
504
672
8
40
100
8
1176
1344
1512
1680
184
8
201
6
2184
2352
2520
2
688
285
6
3024
3192
3360
3
528
369
6
3864
t (h)
pH
ens9 H2O
ens 9 H2SO4
ens 14 H2O
ens 14 H2SO4
ens 15 H2O
ens 15 H2SO4
Figura 4.6 – Gráfico - tempo (h) x pH da mistura SCB permeada por
água destilada (H
2
O) e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
)
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
170
Observando as Figuras 4.1, 4.3 e 4.5 e a Tabela 4.1, que apresenta os principais resultados
obtidos, percebe-se que a mistura SCB resiste à percolação de soluções ácidas, fato
demonstrado pela queda de condutividade de 10
-8
m/s, com água, para 10
-10
m/s, com ácido.
Entretanto, essa mistura apresenta variação para o valor de
k
mediante percolação de soluções
alcalinas (soda cáustica), visto que, a condutividade de 10
-8
m/s com água e passa a 10
-6
m/s,
quando o líquido percolante é soda cáustica. O aumento da condutividade hidráulica pode ter
ocorrido em conseqüência de alterações no volume das partículas bentonita e pela perda de
massa dos constituintes da mistura conforme os resultados obtidos por Difração de Raios-X
(item 6.1.1) da mistura e ensaios de variação granulométrica (COULTER) da bentonita (item
5.2.2). Não ocorreram variações significativas no que se refere a porosidade para os dois
contaminantes estudados. A partir da avaliação do índice de vazios pode-se constatar que
diminuiu o volume de vazios quando se passou a percolar ácido na amostra. Esta afirmação é
coerente com os resultados obtidos nos ensaios de condutividade hidráulica sob percolação de
ácido sulfúrico (Figura 4.3).
Tabela 4.1 – Resumo dos resultados obtidos nos Ensaios de
Condutividade Hidráulica utilizando a mistura SCB
Tipo de
Mistura/Contami
nante
Características da
amostra
Teor de
umidade
real
Ìndice
de
Vazios
(e)
Porosida
de (n)
k(m/s)
H
2
O
k(m/s)
contam.
pH do
Final do
Ensaio
Índice de
Vazios no
Final do
Ensaio (e)
Porosida
de no
Final do
Ensaio
(n)
SCB - NaOH w = 100% Ra/c = 4 88,59 2,75 0,73 1,64E-08 1,96E-06 12,31 2,75 0,73
SCB - H
2
SO
4
w = 100% Ra/c = 4 94,14 3,76 0,79 8,54E-08 7,74E-10 12,29 3,19 0,76
SCB - H
2
O
w = 100% Ra/c = 4 89,93 3,35 0,77 9,02E-08 - 12,55
CONVENÇÃO: w = teor de umidade (
water
); Ra/c = relação água/cimento.
4.1.2 Propriedades Mecânicas
No que se refere às propriedades mecânicas avaliou-se a resistência à compressão simples e
recalque através de ensaios de resistência à compressão não confinada e de adensamento, das
amostras hidratadas e contaminadas, extraídas ao final dos ensaios de condutividade
hidráulica como consta nos itens 3.1.3.3 e 3.1.3.4. Os resultados obtidos e a interpretação dos
mesmos são apresentados a seguir.
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
171
4.1.2.1 Ensaios de RCS
Foram realizados ensaios de resistência à compressão não confinada com amostras da mistura,
sem permeação, e de idades iguais a 7 dias e 14 semanas, também contaminadas, depois da
permeação por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH), cujos resultados obtidos são
mostrados na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Resultados dos ensaios de RCS com CPs de SCB
ENSAIO q (kN/m2) ENSAIO q (kN/m2) ENSAIO q (kN/m2)
14-fração
escura -
H
2
SO
4
60,66
15-fração
escura-
H
2
SO
4
78,85
14 -sem
contam-
H
2
SO
4
415,09
14-fração
clara -
H
2
SO
4
613,46
15-fração
clara -
H
2
SO
4
162,12
sem
contam
aos 7 d -
H
2
SO
4
150,26
17 - NaOH 514,89
Foram realizados dois ensaios de condutividade hidráulica com percolação de ácido sulfúrico,
nos quais, a princípio, deveria ser permeada em cada um, uma quantidade de contaminante
igual ao dobro do volume de vazios. Porém, ao retirar a amostra do primeiro permeâmetro,
notou-se que havia duas camadas de coloração distintas e então, preferiu-se prosseguir com
um dos ensaios a fim de perceber se aquela “fatia” de coloração diversa (Figuras 3.9 e 4.7) se
manteria na mesma altura ou, com o passar do tempo, se ampliaria. Teve-se essa necessidade,
pelo da camada de coloração mais escura, aparentemente, ter um nível de resistência à
compressão bem mais baixa, o que pôde, depois, ser comprovado. Assim que, um dos ensaios
durou quatorze semanas (ensaio 15) e o outro, vinte (ensaio 14).
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
172
(a) (b)
Figura 4.7 – CPs extraídos de misturas SCB permeadas por H
2
SO
4
.
(a) ensaio 15 – idade: 14 semanas; (b) ensaio 14 – idade: 20 semanas.
Partindo desse princípio, cabe observar a Figura 4.7, onde a amostra foi colocada no
equipamento invertida (para evitar o amolgamento da amostra visto que, como já foi citada, a
parte mais escura tinha menor resistência). Nota-se que, com o passar do tempo a porção de
coloração escura foi ampliada, podendo-se deduzir que a contaminação da amostra ocorreu de
forma progressiva, mas lenta, pois uma diferença de 6 semanas entre as duas amostras
permeadas não ampliou substancialmente a altura da camada escura.
Ao medir a RCS dos CPs de quatorze e vinte semanas de permeação por ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
), obteve-se uma tensão de compressão menor na camada atingida pelo ácido sulfúrico
(camada escura), em torno de 70 kN/m
2
(variando de 60,66 a 78,85 kN/m
2
) e, após, com a
camada mais resistente (camada clara), obteve-se um valor medio em torno de 400 kN/m
2
(variando de 162,12 a 613,46 kN/m
2
). Estes resultados demonstram que as reações químicas
que ocorreram entre o ácido sulfúrico e o solo cimentado resultaram na degradação da
resistência da mistura, quando comparado com o valor obtido da mistura “14-sem contam”
(Tabela 4.2) - a qual se refere a um CP constituído de uma porção da mistura SCB, retirada da
mistura que foi colocada no permeâmetro para realização do ensaio 14, antes do começo do
mesmo. Esta porção foi colocada num molde vedado com um saco plástico até a data da
ruptura. A tensão de compressão obtida com este CP foi 415,09 kN/m
2
, valor próximo a
média obtida para a porção clara da amostra percolada por H
2
SO
4
(valor médio próximo a 400
kN/m
2
). Os valores encontrados indicam que a fração clara não foi totalmente contaminada
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
173
pelo ácido sulfúrico. A análise de uma amostra por difratometria de raios-x (item 6.1.1)
comprovou a
suposição visto o baixo teor de enxofre (S) encontrado.
Em relação aos resultados obtidos com o corpo-de-prova extraído da mistura percolada por
soda cáustica (NaOH) , acredita-se que a resistência mecânica da mistura não foi reduzida em
conseqüência da contaminação, considerando que na amostra sem contaminação do ensaio
quartorze (com mesmo periodo de cura), se obteve
RCS
igual a 415,09 kN/m
2
, e na do ensaio
dezessete (percolado por sodacaustica), 514,89 kN/m
2
. Os valores obtidos podem ser
explicados pela hidratação da mistura nos primeiros sete dias que fez com que a mesma
desenvolvesse níveis maiores de resistência e também pelo que consta no item 2.1.4.6, no
qual é citado que, quando a condutividade hidráulica do concreto é baixa e o pH da água
agressiva é superior a 6, a taxa de ataque químico é considerada muito baixa para acusar
preocupação (M ehta & M onteiro, 1994), ou seja, não há prejuízos no que se refere ao seu
comportamento mecânico.
Embora a mistura SCB não seja uma amostra de concreto, valem as conceituações
apresentadas por M ehta & Monteiro (1994), pois a matéria-prima reativa dos dois materiais é
a mesma, ou seja, o cimento.
4.1.2.2 Ensaios de Adensamento
Foram realizados ensaios de adensamento com amostras extraídas ao final dos ensaios de
condutividade hidráulica sob percolação de água destilada, soda cáustica ou ácido sulfúrico,
conforme consta no item 3.1.3.4.
Considerou-se, para a construção gráficos que seguem (e conseqüente determinação dos
parâmetros de interesse nesta análise), como sendo o primeiro carregamento igual a 12,5 kPa,
pois a primeira carga aplicada, de 6,25 kPa, teve apenas a função de assentar o
top cap
sobre a
amostra ensaiada, não gerando valores de recalque verdadeiros.
A Figura 4.8 mostra os resultados obtidos a partir da amostra percolada por água destilada.
Nota-se que o índice de vazios inicial da amostra é menor do que o registrado no inicio do
ensaio de condutividade hidráulica (ver Tabela 4.1). Este comportamento era previsível e
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
174
resultou da hidratação do cimento. A variação do coeficiente de adensamento dessa amostra, a
partir das diferentes tensões é apresentada na Figura 4.9.
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
1 10 100 1000
σ
v
(kPa)
índice de vazios
Figura 4.8 – tensão (kPa)
versus
índice de vazios (e) – mistura tipo
SCB percolada por H
2
O
0,000001
0,000010
0,000100
0,001000
0,010000
0,100000
1 10 100 1000
σ
v
(kPa)
Cv
Figura 4.9 – tensão (kPa)
versus
coeficiente de adensamento (Cv) –
mistura tipo SCB percolada por H
2
O
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
175
Na Figura 4.10 têm-se os resultados obtidos a partir das amostras contaminadas por soda
cáustica. Nota-se que a mesma apresenta índice de vazios menor do que as amostras
percoladas por água destilada, indicando a ocorrência alterações na microestrutura da mistura
SCB quando contaminada por NaOH. Percebe-se ainda que à medida que cargas maiores
foram aplicadas ocorreu pequena variação no índice de vazios indicando relativa rigidez da
mistura. O trecho do gráfico que representa o descarregamento indica um comportamento
elástico da mistura, visto que, praticamente, a mistura volta ao índice de vazios, que
apresentava antes da aplicação de carga. Os coeficientes de adensamento determinados
durante o ensaio são apresentados na Figura 4.11.
As Figuras 4.12 e 4.13 resultam dos ensaios realizados com amostras percoladas por ácido
sulfúrico, porção mais clara (superior) e mais escura (inferior), respectivamente (ver Figura
4.11). Nota-se que as duas porções apresentam comportamentos e características físicas
totalmente diferentes. O índice de vazios da porção inferior é bem menor que a superior,
provavelmente devido ao nível de contaminação, que na parte inferior deve ser maior.
Segundo Neville (1997), o ataque químico do concreto (que pode se considerar também
válido para mistura SCB, visto que apresenta agregados e materiais cimentantes como o
concreto) ocorre pela decomposição de produtos da hidratação e formação de outros produtos
que, se forem insolúveis, caso de alguns minerais da mistura, podem se expandir no próprio
local onde se formaram. Esta suposição poderá ser comprovada através dos resultados de
Difração de Raios-X e análise por EDS das misturas.
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
176
1,30
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
1,90
2,00
2,10
2,20
2,30
2,40
2,50
2,60
2,70
2,80
1 10 100 1000
σ
v
(kPa)
índice de vazios
Figura 4.10 – tensão (kPa)
versus
índice de vazios – mistura tipo SCB
percolada por NaOH
0,000001
0,000010
0,000100
0,001000
0,010000
0,100000
1 10 100 1000
σ
σσ
σ
v
(kPa)
Cv
Figura 4.11 – tensão (kPa)
versus
coeficiente de adensamento (Cv) –
mistura tipo SCB percolada por NaOH
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
177
1,30
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
1,90
2,00
2,10
2,20
2,30
2,40
2,50
2,60
2,70
2,80
1 10 100 1000
log
σ
v
(kPa)
índice de vazios
Figura 4.12 – tensão (kPa)
versus
índice de vazios – mistura tipo SCB
percolada por H
2
SO
4
, porção superior
1,30
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
1,90
2,00
2,10
2,20
2,30
2,40
2,50
2,60
2,70
2,80
1 10 100 1000
log
σ
v
(kPa)
índice de vazios
Figura 4.13 – tensão (kPa)
versus
índice de vazios – mistura tipo SCB
percolada por H
2
SO
4
, porção inferior
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
178
Nas Figuras 4.14 e 4.15 são apresentadas as variações do coeficiente de adensamento das
porções superior e inferior, respectivamente, no incremento das tensões. Verifica-se que uma
faixa de variação diferenciada se comparadas às duas amostras.
O comparativo entre os resultados que relacionam incremento de tensões e índice de vazios
das amostras percoladas por água destilada, soda cáustica e ácido sulfúrico é apresentado na
Figura 4.16. A partir da observação é possível afirmar que, dependendo do líquido percolante,
a amostra de SCB desenvolveu comportamento diferenciado gerando volume de vazios
maiores quando percolado pela água destilada, comportamento esperado no processo de
hidratação do cimento, principalmente, quando é utilizada alta relação água-cimento,
conforme consta no item 2.4.1.5.
0,000001
0,000010
0,000100
0,001000
0,010000
0,100000
1 10 100 1000
σ
v
(kPa)
Cv
Figura 4.14 – tensão (kPa)
versus
coeficiente de adensamento (Cv) –
mistura tipo SCB percolada por H
2
SO
4
, porção superior
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
179
0,000001
0,000010
0,000100
0,001000
0,010000
0,100000
1 10 100 1000
σ
v
(kPa)
Cv
Figura 4.15 – tensão (kPa)
versus
coeficiente de adensamento (Cv) –
mistura tipo SCB percolada por H
2
SO
4
, porção inferior
1,30
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
1,90
2,00
2,10
2,20
2,30
2,40
2,50
2,60
2,70
1 10 100 1000
σ
σσ
σ
vm
(kPa)
índice de vazios
H2SO4-S-
carreg
H2SO4-S-
descarreg
H2SO4-I-
carreg
H2SO4-I-
descarreg
NaOH-carreg
NaOH-
descarreg
H2O-carreg
H2O-
descarreg
Figura 4.16 – Comparativo entre os resultados dos ensaios de
adensamento das amostras percoladas por H
2
O, NaOH e H
2
SO
4
-
tensão x índice de vazios
No que se refere à amostra percolada por soda cáustica, o resultado obtido (ver Figura 4.16)
pode ser explicado por M ehta & Monteiro (1994), onde consta que as reações químicas
__________________________________________________________________________________________
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180
envolvendo íons alcalinos do cimento Portland (ou de outras fontes, no caso NaOH), íons
hidroxila (OH
-
) e certos constituintes silicosos, que podem estar presentes no agregado,
podem levar o concreto à expansão e fissuração, ocasionando perdas na resistência,
elasticidade e durabilidade do mesmo. Ainda no item 2.4.1.4 relata-se que com relação a
agregados reativos a álcalis, dependendo do tempo, temperatura e tamanho da partícula, todos
os silicatos ou minerais de sílica, bem como sílica hidratada (opala) ou amorfa (obsidiana,
vidro de sílica), podem reagir com soluções alcalinas, embora um grande número de minerais
reaja apenas em um grau insignificante. Feldspatos, piroxênios, anfobólios, micas e quartzos,
que são os minerais constituintes dos granitos, gnaisses, xistos e arenitos, são classificados
como minerais não reativos. Como o solo utilizado na mistura é o arenito (na proporção de
63%), acredita-se que sua presença em grande proporção aliada ao comportamento do
cimento frente a substâncias alcalinas explica a existência de índice de vazios menor do que o
encontrado nas amostras percoladas por água.
O desenvolvimento de menor índice de vazios da porção inferior da mistura SCB
contaminada por H
2
SO
4
é explicado por Neville (1997). O ataque químico pelo ácido ocorre
pela decomposição de produtos da hidratação (C-H e C-S-H) e formação de outros produtos
que, se forem solúveis podem ser lixiviados e, se insolúveis podem se expandir no próprio
local onde se formam. Acredita-se que comportamento idêntico ocorreu com a mistura SCB.
Julga-se ainda que a adsorção do enxofre pela mistura aumentou o seu volume reduzindo, em
conseqüência, seu índice de vazios o que pode ser comprovado pelos resultados de Difração
de Raios-X e análise por EDS da mistura SCB contaminada por H
2
SO
4
e das matérias-primas
que a constituem. Já a fração superior, devido à adsorção de sulfatos (provenientes do ácido
sulfúrico) na outra camada sofreu menos efeito da contaminação até o final do ensaio e
conseqüentemente nesta faixa, acredita-se que houve continuidade das reações de hidratação,
ganho de resistência do cimento e redução do volume de vazios, característico da evolução.
Por fim, observando a Tabela 4.3, onde constam: os coeficientes de adensamento (Cv), índice
de compressão (Cc) e índice de descarregamento (Cd) das diferentes amostras investigadas,
percebe-se que, a partir dos valores de Cv, os maiores recalques seriam produzidos nas
misturas SCB percoladas por ácido sulfúrico, na porção totalmente contaminada (H
2
SO
4
– I),
o que indica a fragilidade da mistura sob solicitação de esforços verticais. Através dos
resultados de Cc pode-se deduzir que a desestruturação da mistura sob tensão ocorre em
maior velocidade nas misturas SCB contaminadas por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
-I). Os valores
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
181
de Cd indicam que a mistura percolada por água destilada sofre menos o efeito do
descarregamento das tensões, provavelmente por já ter expulsado toda água de seus poros no
último incremento de tensão do ensaio e a mistura encontrar-se no estado plástico, não
ocorrendo o mesmo com a mistura percolada por H
2
SO
4
, o que confere a última, instabilidade
frente às solicitações.
Tabela 4.3 – Ensaio de Adensamento - Síntese dos resultados -
M isturas tipo SCB percoladas por H
2
O, NaOH e H
2
SO
4
Cv Cr Cc Cd
H
2
O
0,00220
0,01074
0,37609
0,00163
NaOH
0,00535 0,01074 0,00733 0,00205
H
2
SO
4
-S
0,00252
0,01137
0,08688
0,00294
H
2
SO
4
- I
0,00013
0,04395
0,38104
0,00760
CONVENÇÃO: S – porção superior do cilindro; I – porção inferior do cilindro.
4.2 MISTURA DO TIPO SB
4.2.1 Propriedades Hidráulicas - Ensaios de Condutividade Hidráulica
No que se refere às propriedades hidráulicas da mistura do tipo SB, avaliou-se a
condutividade hidráulica mediante hidratação, percolação por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda
cáustica (NaOH). Os resultados obtidos e a interpretação dos mesmos são apresentados a
seguir.
4.2.1.1 Ensaios de Condutividade Hidráulica
O comportamento hidráulico da mistura sob percolação de água é mostrado na Figura 4.17.
Percebe-se que há uma redução de condutividade hidráulica de 10
-6
para 10
-8
m/s, provavelmente
devido ao aumento de volume da bentonita durante a hidratação da mistura, que pode ter
provocado redução no volume de vazios. Durante a percolação de água observou-se que o pH
permaneceu praticamente constante num valor próximo a 9 (Figura 4.18).
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
182
R
2
= 0,8465
R
2
= 0,6007
R
2
= 0,9525
1,00E-10
1,00E-09
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
0 24 48 72 96 120 144 168
t (h)
k (m/s)
ensaio 5
ensaio 8
ensaio13
Figura 4.17 – tempo (h) x
k
(m/s) da mistura SB permeada por água
destilada (H
2
O)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216
t (h)
pH
ensaio 7 ensaio 8 ensaio 10 ensaio 13 ensaio 18
Figura 4.18 – tempo (h) x pH da mistura SB percolada por água
destilada (H
2
O)
A Figura 4.19 apresenta os resultados obtidos nos ensaios em que foram percoladas com água
destilada e soda cáustica. Percebe-se redução da condutividade hidráulica enquanto a água é
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
183
percolada e, uma progressão na condutividade hidráulica (
k
) quando o líquido percolante
passa a ser a soda cáustica (NaOH). Esta alteração no comportamento hidráulico ocorreu
devido a mudança das propriedades físicas da bentonita quando em contato com a soda
cáustica, pois segundo Pereira (2005), para as argilas (no caso, a bentonita sódica) o pH é
influente a partir de valores acima de 10. Entre 10 e 12 a argila flocula com um aumento
brusco de viscosidade e partir disso ela desidrata quase que totalmente. Na Figura 4.20
observa-se que ao final do ensaio o lixiviado pode até ter sido a soda cáustica pura, pois, o pH
aferido foi igual a 12,98 (o pH da solução antes de passar pela amostra era 12,99).
Na Figura 4.21 verifica-se o comportamento da mistura quando os líquidos percolantes são a
água destilada (H
2
O) e o ácido sulfúrico (H
2
SO
4
).
R
2
= 0,432
R
2
= 0,8789
R
2
= 0,853
R
2
= 0,7341
1,00E-10
1,00E-09
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288
t (h)
k (m/s)
ens 10 H2O ens 11 H2O ens 10 NaOH ens 11 NaOH
Figura 4.19 – tempo (h) x k (m/s) da mistura SB permeada por água
(H
2
O) e soda cáustica (NaOH)
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
184
8
9
10
11
12
13
14
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288
t(h)
pH
ensaio 10 NaOH ensaio 11 NaOH ensaio 10 H2O ensaio 11 H2O
Figura 4.20 – tempo (h) x pH da mistura SB permeada por água (H
2
O)
e soda cáustica (NaOH)
R
2
= 0,6374
R
2
= 0,9757
1,00E-12
1,00E-11
1,00E-10
1,00E-09
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216
t (h)
k (m/s)
ens 8-H2SO4 ens8-H2O ens 18-H2O ens 18-H2SO4
Figura 4.21 – tempo (h) x k (m/s) da mistura SB permeada por água
(H
2
O) e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
)
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
185
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216
t (h)
pH
ENS 8 H2O ENS 8 H2SO4
Figura 4.22 – tempo (h) x pH da mistura SB permeada por água (H
2
O)
e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
)
Através da Figura 4.21 percebe-se uma redução na condutividade hidráulica enquanto a
mesma é percolada por água, todavia, quando substituída pelo ácido sulfúrico, em poucas
horas dá-se o final do ensaio pelo aumento substancial da condutividade hidráulica. Tem-se a
impressão que, ao final do ensaio, o líquido percolante passou por um material totalmente
poroso, visto que, observando a Figura 4.22 parece ser o lixiviado constituído de ácido puro.
Este desempenho da mistura SB pode ser justificado pela perda de minerais da bentonita
sódica e do SRAB quando percolados pelo ácido, comprovada pelos resultados obtidos por
Difração de raios-x e Análise Química Elementar, constantes nos capítulo 5, itens 5.2.3, 5.2.4,
5.3.2 e 5.3.3.
Acredita-se que ao percolar água destilada, pode ter ocorrido o fenômeno de floculação com a
bentonita sódica (item 2.4.2.4). Suas placas podem ter se arranjado na forma face contra
aresta ou aresta contra aresta, semelhante a um castelo de cartas, ocorrendo na seqüência, a
gelificação de porções do fluído, com elevação abrupta de viscosidade, esta elevação da
viscosidade pode ter produzido a redução do valor do k. Após, a adição de ácido sulfúrico no
aparelho, pode ter produzido a defloculação que é uma correção do processo de floculação
pela adição de dispersantes químicos, tendo neutralizado as cargas que haviam antes.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
186
A capacidade de substituição de um cátion pelo outro pode ser colocada na seguinte ordem:
H
+
> Al
+3
> Ca
+2
> M g
+2
> K
+
> NH
+4
> Na
+
> Li
+
. Esta ordem pode ser alterada dependendo
da disponibilidade de cátions no momento da reação. Se houver muito mais K
+
que Ca
+2
, o
primeiro terá a preferência na substituição. Os cátions servem como ligas para agregar as
placas dos argilo-minerais (entre eles o H
+
proveniente do H
2
SO
4
– ácido sulfúrico).
Entretanto, dependendo de sua valência, podem reduzir a viscosidade. Quanto maior a
valência maior a atração entre as placas e menor a viscosidade resultante da hidratação.
Assim, acredita-se que o fluido (ácido sulfúrico) afinou com um conjunto de partículas
agregadas dispersadas aumentando abruptamente a condutividade hidráulica (Figura 4.21).
5. PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DAS MATÉRIAS-PRIMAS -
RESULTADOS E ANÁLISES
Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos a partir do estudo das propriedades
físico-químicas do cimento CPV ARI, da bentonita sódica e do Solo Residual Arenito
Botucatu (SRAB). Os procedimentos adotados encontram-se descritos nos itens 3.1.5.1,
3.1.5.2 e 3.1.5.3.
5.1 CIMENTO
5.1.1. Monitoramento da Temperatura da Reação de Hidratação do
Cimento
A hidratação dos compostos do cimento é exotérmica, como muitas outras reações químicas,
chegando a liberar energia de até 500J/g de cimento. O calor de hidratação é a quantidade de
calor, em joules por grama, de cimento não hidratado que se desprende até a hidratação
completa a uma temperatura estabelecida. A rigor, o calor de hidratação, como é determinado,
consiste do calor químico das reações de hidratação e do calor de adsorção da água na
superfície do gel formado pelo processo de hidratação. Este último calor responde por cerca
de um quarto do total de calor de hidratação.
A velocidade de desprendimento de calor do cimento quando misturado à água destilada,
ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH), estudada neste Trabalho foi apresentada na
forma de gráficos do tipo tempo (h)
versus
variação de temperatura (°C).
Na Tabela 5.1 tem-se a evolução da temperatura de pega do cimento nas primeiras 24 horas
quando misturado somente com água, nos teores de umidade iguais a 30 e 100%; misturado
com bentonita sódica e SRAB; misturado a H
2
SO
4
numa concentração igual a 5% e misturado
a NaOH na mesma concentração. Os valores apresentados são resultados da média de
variação de temperatura obtidos através das três repetições significativas
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
188
Tabela 5.1 – Evolução da temperatura de pega do cimento nas
primeiras 24 horas quando misturado com água (w), H
2
SO
4
e NaOH
Tempo (h)
(T-To)
o
C
30%W
(T-To)
o
C
100%W
(T-To)
o
C
mistura
100%W
(T-To)
o
C
100%W +
H
2
SO
4
(T-To)
o
C
100%W +
NaOH
0,0 2,33 -0,67 0,20 10,53 0,63
0,2 5,43 0,60 0,57 29,77 4,00
0,3 5,80 1,13 0,77 28,70 4,50
0,5 5,87 1,30 0,87 27,73 6,60
0,7 5,93 1,40 1,03 26,87 8,37
0,8 6,13 1,47 1,17 26,07 10,13
1,0 6,33 1,57 1,27 25,37 11,37
1,2 6,73 1,67 1,43 24,67 12,27
1,3 7,07 1,77 1,57 24,03 13,87
1,5 7,53 1,83 1,70 23,47 15,23
1,7 7,97 1,93 1,87 22,83 13,60
1,8 8,33 2,07 1,97 22,30 12,70
2,0 8,57 2,17 2,07 21,77 12,50
2,2 8,83 2,27 2,20 21,20 12,40
2,3 9,00 2,40 2,33 20,73 12,40
2,5 9,20 2,50 2,43 20,23 12,37
2,7 9,47 2,63 2,53 19,73 12,37
2,8 9,73 2,77 2,67 19,27 12,30
3,0 9,97 2,90 2,77 18,80 12,27
3,2 10,23 3,00 2,87 18,33 12,17
3,3 10,57 3,13 3,03 17,90 12,10
3,5 11,00 3,23 3,10 17,43 11,97
3,7 11,50 3,33 3,23 17,07 11,83
3,8 12,03 3,47 3,33 16,63 11,70
4,0 12,73 3,57 3,47 16,23 11,50
4,2 13,50 3,73 3,60 15,83 11,37
4,3 14,40 3,87 3,77 15,43 11,20
4,5 15,43 4,00 3,93 15,07 11,00
4,7 16,57 4,13 4,10 14,70 10,83
4,8 17,93 4,30 4,23 14,33 10,63
5,0 19,47 4,43 4,43 13,97 10,47
5,2 21,13 4,60 4,60 13,67 10,27
5,3 22,97 4,77 4,77 13,30 10,07
5,5 24,97 4,97 4,97 12,97 9,90
5,7 26,93 5,13 5,10 12,67 9,70
5,8 28,93 5,33 5,30 12,37 9,50
6,0 30,73 5,53 5,47 12,07 9,30
6,2 32,13 5,73 5,63 11,77 9,17
6,3 33,00 5,93 5,80 11,47 8,97
6,5 33,43 6,17 5,97 11,17 8,80
6,7 33,50 6,40 6,13 10,90 8,60
6,8 33,17 6,63 6,27 10,63 8,43
7,0 32,50 6,87 6,43 10,40 8,23
7,2 31,70 7,13 6,57 10,10 8,10
7,3 30,73 7,33 6,70 9,83 7,90
7,5 29,70 7,57 6,83 9,60 7,77
7,7 28,63 7,83 6,93 9,37 7,57
7,8
27,53
8,07
7,03
9,13
7,43
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
189
189
Tempo (h)
(T-To)
o
C
30%W
(T-To)
o
C
100%W
(T-To)
o
C
mistura
100%W
(T-To)
o
C
100%W +
H
2
SO
4
(T-To)
o
C
100%W +
NaOH
8,0 26,40 8,37 7,10 8,90 7,23
8,2 25,30 8,60 7,20 8,67 7,10
8,3 24,20 8,83 7,27 8,47 6,93
8,5 23,20 9,10 7,33 8,20 6,77
8,7 22,17 9,33 7,37 8,00 6,63
8,8 21,17 9,60 7,43 7,80 6,47
9,0 20,17 9,83 7,43 7,60 6,33
9,2 19,20 10,03 7,43 7,40 6,17
9,3 18,33 10,27 7,43 7,20 6,03
9,5 17,40 10,50 7,47 7,00 5,90
9,7 16,57 10,67 7,47 6,83 5,77
9,8 15,73 10,87 7,43 6,63 5,60
10,0 14,97 11,00 7,40 6,43 5,50
10,2 14,20 11,20 7,40 6,27 5,37
10,3 13,43 11,33 7,37 6,10 5,23
10,5 12,77 11,47 7,33 5,90 5,07
10,7 12,10 11,57 7,33 5,73 4,97
10,8 11,47 11,70 7,27 5,57 4,83
11,0 10,83 11,80 7,23 5,43 4,73
11,2 10,27 11,93 7,20 5,27 4,60
11,3 9,70 11,97 7,17 5,07 4,47
11,5 9,17 12,10 7,13 4,97 4,37
11,7 8,67 12,13 7,07 4,80 4,27
11,8 8,20 12,20 7,07 4,67 4,13
12,0 7,77 12,23 6,97 4,53 4,00
12,2 7,30 12,30 6,97 4,37 3,90
12,3 6,87 12,33 6,87 4,23 3,80
12,5 6,47 12,33 6,87 4,13 3,70
12,7 6,13 12,33 6,77 3,97 3,60
12,8 5,73 12,33 6,77 3,83 3,50
13,0 5,40 12,33 6,70 3,70 3,40
13,2 5,10 12,27 6,63 3,60 3,27
13,3 4,77 12,30 6,60 3,50 3,17
13,5 4,47 12,23 6,50 3,33 3,10
13,7 4,20 12,20 6,50 3,20 3,00
13,8 3,93 12,13 6,40 3,10 2,90
14,0 3,67 12,07 6,33 3,00 2,83
14,2 3,43 12,00 6,30 2,87 2,77
14,3 3,20 11,93 6,23 2,77 2,67
14,5 2,97 11,90 6,13 2,70 2,60
14,7 2,77 11,80 6,10 2,60 2,57
14,8 2,57 11,73 6,03 2,53 2,47
15,0 2,37 11,60 5,97 2,43 2,40
15,2 2,20 11,53 5,90 2,37 2,37
15,3 2,03 11,40 5,83 2,27 2,30
15,5 1,83 11,33 5,77 2,17 2,20
15,7 1,70 11,23 5,70 2,13 2,17
15,8 1,53 11,10 5,63 2,07 2,10
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
190
…
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
191
Com os dados obtidos na Tabela 5.1 foi gerado o gráfico apresentado na Figura 5.1, que
permite perceber a evolução da temperatura de cura do cimento durante a sua hidratação,
influenciado ou não pela ação dos agentes químicos.
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
t (h)
T - To (
o
C)
(T-To) 30%W+ H2O
(T-To) 100%W+H2O
(T-To) mistura 100%W+H2O
(T-To) 100%W + H2SO4
(T-To) 100%W + NaOH
Figura 5.1 – Tempo
versus
variação de temperatura
Através dos resultados obtidos evidenciou-se que o teor de umidade, a relação água/cimento,
bem como o líquido misturado ao cimento, produzem diferentes efeitos. Este fato pode ser
comprovado pela comparação entre os resultados dos ensaios nos quais se adicionou água,
nos teores de umidade iguais a 30% e 100%, respectivamente. Com teor de umidade mais
baixo o cimento chegou à temperatura mais alta e, quando foi adicionada água ao cimento e à
mistura SCB, desenvolveram-se reações exotérmicas em diferentes momentos do ensaio.
Logo que o cimento foi acrescentado ao ácido sulfúrico, a mistura atingiu altas temperaturas
em um pequeno intervalo de tempo, tendo aquecido até o recipiente onde a mesma foi
realizada. O enxofre (S) da solução de H
2
SO
4
volatilizou gerando odores tóxicos. A partir do
momento em que a medição computadorizada começou, a temperatura continuou a aumentar,
conforme mostra a Figura 5.1, tendo este o pico de temperatura, declinado com o passar do
tempo. A reação com H
2
SO
4
também foi do tipo exotérmica.
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
192
Comportamento semelhante a este ocorreu quando à soda cáustica foi adicionado cimento,
todavia uma hora e meia foi necessária para que a solução chegasse à temperatura de pico
enquanto que, quando misturado ao ácido sulfúrico, atingiu em 0,15 horas, conforme mostra a
Tabela 5.2.
Tabela 5.2 – Análise das curvas - temperatura
versus
tempo - Estudo
da evolução do tempo de cura do cimento portland, tipo CP V ARI.
Nº Mistura
Teor de
umidade
(%)
Relação
água/cim
ento
T
máx
(
o
C)
t
máx
(hs)
S
máx
1 Cimento + H
2
O 30% 0,3 33,50
o
C 6,67 4,43
2 Cimento + H
2
O 100% 1 12,30
o
C 12,17
0,75
3 Solo + bentonita + cimento (SCB)
100% 4 7,47
o
C 9,50 1,57
4 Cimento + H
2
SO
4
100% 1 29,77
o
C 0,17 3,56
5 Cimento + NaOH 100% 1 15,23
o
C 1,50 1,09
Convenções: T
máx
– temperatura máxima atingida;
t
máx
– tempo necessário para atingir a temperatura máxima.
S
máx
– declive máximo da curva temperatura
versus
tempo.
Observando a Figura 5.1 e a Tabela 5.2 foi possível constatar que a utilização de teores de
umidade mais baixos faz com que o cimento CP V ARI, quando misturado a H
2
O, chegue a
temperaturas mais altas em menores intervalos de tempo. Tendo o aumento de temperatura
relação direta com o ganho de resistência, pode-se afirmar que a utilização de relação
água/cimento igual a 4 para mistura SCB influiu negativamente no que se refere à resistência
mecânica do material, pois ao ver a evolução da temperatura de cura da mistura sob teor de
umidade igual a 100% e relação água/cimento igual a 4, percebeu-se que a temperatura chegou
ao pico depois de decorridas 9,5 horas de ensaio apresentando baixa evolução de temperatura e
conseqüente lentidão da reação química, como era esperado.
Sabe-se que uma temperatura mais alta durante e depois do contato inicial entre o cimento e
água reduz a extensão do período de latência de modo que a estrutura total da pasta de cimento
hidratada se define mais cedo. Embora aumente as resistências logo nas primeiras idades, uma
temperatura elevada pode prejudicar a resistência após os 7 dias de idade. A explicação é que
uma hidratação inicial rápida aparentemente forma produtos com uma estrutura fisicamente
mais pobre, provavelmente mais porosa, de modo que uma fração dos poros permanecerá
sempre não preenchida.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
193
Essa explicação dos efeitos adversos de temperaturas altas iniciais sobre as resistências a
idades avançadas foi proposta por Verbeck & Helmut (
apud.
Neville, 1997) que sugeriu que a
hidratação rápida a temperaturas mais altas retarda a hidratação subseqüente e produz uma
distribuição não uniforme dos produtos de hidratação no interior da pasta. Isso se deve a que,
com uma grande velocidade inicial de hidratação, não há tempo suficiente para a difusão dos
produtos para posições mais distantes das partículas de cimento e para uma precipitação
uniforme dos espaços intersticiais, como ocorre a temperaturas mais baixas. Como resultado
se forma uma grande quantidade de produtos de hidratação nas vizinhanças das partículas que
estão se hidratando, o que retarda a hidratação subseqüente e prejudica a resistência a longo
prazo (Neville, 1997). Além disso, a própria distribuição não uniforme dos produtos de
hidratação, por si mesma, prejudica a resistência porque a relação gel/espaço nos interstícios é
menor do que a que se obteria com um mesmo grau de hidratação; as áreas mais fracas
localizadas reduzem a resistência da pasta de cimento hidratada como um todo.
Assim que, embora a mistura SCB tenha tido velocidade inicial de hidratação baixa (ver Figura
5.1 e Tabela 5.2) devido ao alto valor da relação água/cimento e a presença de agregados (solo e
bentonita sódica), este fato pode ter auxiliado no ganho de resistência do material no decorrer
do tempo, garantindo a manutenção do novo material ao ser percolado por ácido sulfúrico e
soda cáustica.
Seguindo o mesmo raciocínio, para efeitos práticos, não é necessariamente a quantidade total
de calor de hidratação que se deve dar maior atenção, mas sim, a velocidade com que esse
calor se desprende. A mesma quantidade de calor, produzida em longo período de tempo,
pode ser dissipada com uma elevação de temperatura conseqüentemente menor (Neville,
1997). Para os cimentos Portland de uso corrente, Bogue (
apud
. Neville, 1997) observou que
cerca de metade do calor total se desprende entre 1 e 3 dias, cerca de três quartos aos 7 dias e
83% a 91% do total em 6 meses. O valor real do calor de hidratação depende da composição
química do cimento e muito aproximadamente igual à soma dos calores de hidratação dos
compostos quando hidratados isoladamente.
A finura do cimento também tem influência sobre a velocidade de desprendimento de calor,
de modo que um aumento de finura acelera as reações de hidratação e, portanto, o
desprendimento de calor. Porém como todos os ensaios foram realizados com a mesma
partida de cimento pode-se afirmar que está propriedade física não teve influência sob os
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
194
resultados obtidos. Todavia, em estágios mais avançados, o efeito da área superficial é
desprezível e a quantidade total de calor desprendida não é influenciada pela finura do
cimento (Neville, 1997). Daí a necessidade de determinarmos o índice de inibição para que a
influência das substâncias utilizadas sob o cimento pudesse ser realmente elucidada.
O índice de inibição das diferentes amostras foi calculado considerando o mesmo teor de
umidade para todas. Os valores obtidos são apresentados na Tabela 5.3. Foram obtidos a partir
da Equação 3.5, considerando
T
máx
p
= 12,30
o
C e
t
máx
p
= 12,17 h. Os declives utilizados no
cálculo foram determinados a partir dos valores disponíveis na Tabela 5.1, sendo
S
máx
p
(declive máximo da curva temperatura
versus
tempo) igual a 0,75. Observando ainda a Tabela
5.3 pode-se perceber que ocorre maior compatibilidade entre o cimento e o ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
) seguida, em ordem decrescente, pela soda cáustica (NaOH) e pela mistura composta
por solo, cimento e bentonita.
Tabela 5.3 – Índice de inibição
Nº
Mistura I
(Índice de inibição)
3 solo + bentonita + cimento (SCB)
9,46
4 cimento + H
2
SO
4
-522,34
5 cimento + NaOH -9,35
A quantidade de cimento na mistura também tem influência no desprendimento total de calor,
portanto, sugere-se para trabalhos futuros, o aumento no teor de cimento nas misturas
contendo solo-cimento-bentonita, ou uma pequena redução na relação água/cimento
(considerando a tecnologia
slurry wall
), a fim de verificar se haverá ampliação no
desprendimento de calor, o que implicaria em maior resistência inicial aos esforços mecânicos
da mistura, comportamento este conveniente a uma barreira hidráulica vertical.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
195
5.1.2 Verificação do Desenvolvimento das Reações de Hidratação do
Cimento por Difração de Raios-X e ATD
No processo de hidratação do cimento se formam minerais que foram registrados neste
Trabalho (Figura 3.24). Quando o cimento é disperso em água, o sulfato de cálcio e os
compostos de cálcio formados a alta temperatura tendem a entrar em solução, e a fase líquida
torna-se rapidamente saturada em várias espécies iônicas. Como resultado das combinações
entre cálcio, sulfato, aluminato e íons hidroxila, após alguns minutos de hidratação do
cimento Portland, aparecem os primeiros cristais aciculares de um sulfoaluminato de cálcio
hidratados (C
3
A.3CS-H
32
-chamado etringita, assinalado na Figura 5.15b); algumas horas
mais tarde, cristais prismáticos grandes de hidróxido de cálcio (C-H) (ver Figuras 5.3, 5.4,
5.5, 5.6.e 5.7) e pequenos cristais fibrilares de silicato de cálcio hidratado começam a
preencher o espaço vazio ocupado inicialmente pela água e as partículas de cimento em
dissolução. Após alguns dias, dependendo da proporção alumina-sulfato do cimento Portland,
a etringita pode tornar-se instável e decompor-se para formar o monossulfato hidratado (C-S-
H) (ver Figuras 5.14b e 5.17a), que tem a forma de placas hexagonais. A morfologia em placa
hexagonal é também característica dos aluminatos de cálcio hidratados, os quais se formam
em pastas hidratadas de cimento Portland, tanto com baixo teor de sulfato como de elevado
teor de C
3
A (Mehta & Monteiro, 1994). Alguns destes minerais puderam ser detectados nas
micrografias das amostras contaminadas e são mostrados no item 5.1.3.
Nas Figuras 5.2, 5.3, 5.4, 5.5 e 5.6 são apresentados os difratogramas de fragmentos das placas
de cimento com teor de umidade igual a 30% e de relação água/cimento igual a 0,3; de teor de
umidade 400% e relação água/cimento igual 4; contaminado por H
2
SO
4
, com teor de umidade
igual a 400% e relação água/cimento igual a 4; contaminado por NaOH, com teor de umidade
igual a 400% e relação água/cimento igual a 4 e numa mistura do tipo SCB sem contaminação,
com
teor de umidade igual a 100% e relação água/cimento igual a 4, respectivamente.
Baseando-se no item 2.4.1.1.6, onde se tem descrito o processo de hidratação do
cimento e observando os resultados de Difratometria de raios-x de porções das placas
podemos notar que:
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
196
a hidratação do cimento mediante a contaminação por ácido sulfúrico (Figura 5.4)
e na mistura SCB (Figura 5.6) ocorreu em maior velocidade pelo fato de ter
sido detectado nestas amostras (somente) a presença de C
4
(A,F) que é
característico da fase final da hidratação (ver Figura 2.21);
o CaCO
3
foi detectado apenas na amostra contaminada por H
2
SO
4
e na mistura
SCB com 7 dias de idade;
o C
3
A não foi encontrado ao ser analisada a amostra contaminada por NaOH
(Figura 5.5) indicando que a hidratação do cimento, neste caso, se deu de
forma mais lenta;
se comparadas as amostras de cimento contaminadas por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
)
(Figura 5.4) e soda cáustica (NaOH) (Figura 5.5), verifica-se picos mais
intensos na primeira situação, o que pode comprovar que ocorre uma maior
reatividade do cimento ao ser misturado ao H
2
SO
4
, confirmando o que foi
percebido à partir determinação índice de inibição (item 5.1.1);
a mistura SCB (Figura 5.6), antes dos 7 dias, o C
2
S e o C
3
S foram totalmente
consumidos. O C
3
S controla a pega e endurecimento do cimento e ele é
consumido ao longo da hidratação;
0
25
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
10 minutos
20 minutos
30 minutos
2 horas
8 horas
24 horas
3 dias
7 dias
sem hidratação
-Ca
3
SiO
5
(C
3
S) -Ca
2
SiO
4
(C
2
S) -Ca(OH)
2
(CH)
-
CaSO
4
Figura 5.2 – Difratograma do cimento CP V ARI hidratado – teor de
umidade = 30% - Relação água/cimento: 0,3
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
197
0
25
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
0 minutos
30 minutos
2 horas
8 horas
24 horas
3 dias
7 dias
-Ca
3
SiO
5
(C
3
S) -Ca
2
SiO
4
(C
2
S) -Ca
2
Fe.28Al.72O
5
-Ca(OH)
2
(CH) - CaSO
4
Figura 5.3 – Difratograma do cimento CP V ARI hidratado - teor de
umidade = 400% - Relação água/cimento: 4
0
25
0 10 20 30 40 50 60 70
80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
sem hidratação
30 minutos
2 horas
8 horas
3 dias
7 dias
24 horas
-Ca
2
SiO
4
(C
2
S) -C
4
(A,F) - CaSO
4
.2H
2
O (CSH
2
)
-Ca(OH)
2
(CH)
-Ca
3
SiO
5
(C
3
S) - CaCO
3
- Ca
3
Al
2
O
6
(C
3
A)
Figura 5.4 – Difratograma do cimento CP V ARI contaminado com
H
2
SO
4
- teor de umidade = 400% - Relação água/cimento: 4
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
198
0
25
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
30 minutos
2 horas
8 horas
24 horas
3 dias
7 dias
sem hidratação
-Ca
3
SiO
5
(C
3
S) -Ca
2
SiO
4
(C
2
S) -Ca(OH)
2
(CH)
Figura 5.5 – Difratograma do cimento CP V ARI contaminado com
NaOH - teor de umidade = 400% - Relação água/cimento: 4
0
25
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
tempo 0
10 minutos
20 minutos
30 minutos
2 horas
8 horas
24 horas
3 dias
7 dias
-C
4
(A,F) - Ca(OH)
2
(CH) -Ca
3
SiO
5
(C
3
S) - CaCO
3
Figura 5.6 – Difratograma do cimento CP V ARI numa mistura do
tipo SCB sem contaminação - teor de umidade = 100% - Relação
água/cimento: 4
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
199
A verificação do processo de hidratação a partir da análise dos resultados obtidos por difração
de raios-x, permitiram conhecer o processo de hidratação do cimento nas relações água-
cimento estudadas, bem como, as alterações sofridas pelo mesmo, ao ser misturado com ácido
sulfúrico (H
2
SO
4
), soda cáustica (NaOH) ou SRAB e bentonita sódica.
A análise por ATD teve por fim determinar minerais que possam não ter sido percebidos na
análise por DRX devido à baixa cristalinidade, decorrente da contaminação do cimento, e
confirmar a presença de outros já detectados.
Os resultados de ATD das amostras de cimento: hidratada, contaminada por ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
) e contaminada por soda cáustica (NaOH), todas com idade igual a 7 dias, teor de
umidade igual a 400% e relação água/cimento igual a 4, são apresentadas nas Figuras 5.7, 5.8
e 5.9.
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperatura (
o
C)
Fluxo de Aquecimento (mV)
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
TG (%)
ATD TG
Figura 5.7 – Resultado de ATD do cimento hidratado – idade: 7 dias –
Relação água/cimento = 4 – teor de umidade = 400%
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
200
-2,0
-1,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperatura (
o
C)
Fluxo de aquecimento (mV)
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
TG (%)
ATD TG
Figura 5.8 – Resultado de ATD do cimento contaminado por ácido
sulfúrico (H2SO4) – idade: 7 dias – Relação água/cimento = 4 – teor
de umidade = 400%
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperatura (
o
C)
Fluxo de Aquecimento / mV
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
TG (%)
ATD TG
Figura 5.9 – Resultado de ATD do cimento contaminado por soda
cáustica (NaOH) – idade: 7 dias – Relação água/cimento = 4 – teor de
umidade = 400%
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
201
Observando os picos registrados nas Figuras acredita-se que a fase C-S-H pode ser
identificada pela presença de um pico endotérmico entre 115 e 125°C (Taylor, 1997), o
localizado entre 135°C e 140°C (Figura 5.8), endotérmico, pode ser resultante da presença da
etringite (CSH
2
), confirmando os resultados obtidos por Difração de Raios-X (Figura 5.4); os
picos endotérmicos, localizados próximo a 500°C identificam a presença de C-H (Figura 5.7 e
5.9) e por volta de 800°C, a perda de massa resultante da decomposição da calcita, mineral
presente em alguns carbonatos e que, provavelmente, pertence a composição do cimento
utilizado, visto que ocorre nas três amostras analisadas (Todor, 1976). Partindo do que consta
em Todor (1976), os picos endotérmicos presentes na Figura 5.8, entre 200 e 300 °C e por
volta de 800°C podem ser resultantes da identificação de uma mistura contendo ácido
sulfúrico (H
2
SO
4
), sulfato de ferro (Fe
2
(SO
4
)
3
), originados pelo contato entre o cimento e o
ácido e água, num processo de desidratação gerado pelo aquecimento no momento da
realização do ensaio (ATD – ver itens 2.3.2 e 3.1.5.1.2). Em associações de cristais
juntamente com o sulfato de ferro, a água da cristalização é removida entre 100 e 210°C,
numa proporção de nove moléculas de água para cada molécula de sulfato de ferro. A água,
só é removida entre 210 e 300°C quando ainda houver ácido sulfúrico na amostra, o que pode
ter ocorrido com a amostra analisada (Figura 5.8). Na seqüência ocorre a desulforização a
partir da queima do sulfato de ferro. A temperatura de pico em que ocorre este fenômeno
situa-se entre 650 e 850°C e apresenta-se em ATD sob a forma de um pico endotérmico
(Figura 5.8). Assim que, fica a dúvida se o pico endotérmico, localizado a 800°C da Figura
5.8 é resultado da desuforização ou da queima da calcita.
No que se refere aos resultados de ATG, os mesmos possibilitaram perceber os momentos em
que houve perda de massa enquanto as amostras eram aquecidas. A 500 e 800°C nas amostras
de cimento hidratado (Figura 5.7), por volta de 150°C no caso do cimento contaminado por
ácido sulfúrico (Figura 5.8) próximo a 500 e 800°C no caso da amostra contaminada por soda
cáustica.
5.1.3 Microscopia Eletrônica de Varredura e Análise Química Elementar
As Figuras 5.10, 5.12 e 5.13, 5.14 e 5.15 são imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura
do cimento
in natura
, hidratado com teores de umidade iguais a 30 e 100%, e ainda
contaminado por H
2
SO
4
e por NaOH (ambos com teor de umidade igual a 100%) em
__________________________________________________________________________________________
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202
diferentes ampliações, conforme consta no item 3.1.5.1.3. As amostras analisadas foram
retiradas das placas executadas para monitoramento da temperatura da reação de hidratação
do cimento (item 3.1.5.1.1).
Na Microscopia Eletrônica de Varredura do cimento
in natura
(Figura 5.10), a ampliação
permitiu perceber a conformação do cimento na forma de pó (Figura 5.10b) e possibilitou
conhecer as diferenciações quando hidratado ou contaminado.
(a) (b)
Figura 5.10 - SEM do cimento CP V ARI
in natura
ampliada (a) 200 vezes; (b) 1500 vezes.
Julgou-se conveniente apresentar também a Figura 5.11, extraída de Mehta & Monteiro
(1994), juntamente com os resultados obtidos por SEM a fim de que a análise conjunta
pudesse auxiliar na identificação das reações ocorridas entre o cimento e os líquidos
percolantes.
A partir da porção de uma placa de cimento de relação água/cimento igual a 0,3 e de outra de
relação água/cimento igual a 4, obteve-se por SEM, as Figuras 5.12 e 5.13, sendo as duas de
mesma constituição.
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
203
Figura 5.11 – Influência da relação aluminato/sulfato da fase aquosa nas
características de pega de pastas de cimento Portland (F.W. Locher et.
al.
apud
. Mehta & Monteiro, 1994)
(a) (b)
Figura 5.12 – SEM do Cimento CP V ARI hidratado, na forma de pó,
teor de umidade igual a 30%, relação água/cimento = 0,3 (a) ampliada
600 vezes; (b) ampliada 3000 vezes.
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204
(a) (b)
Figura 5.13 – SEM do Cimento CP V ARI hidratado, na forma de pó, teor de umidade igual a
400%, relação água/cimento = 4. (a) ampliada 600 vezes; (b) ampliada 3000 vezes.
Analisando as Figuras 5.12b e 5.13b e, considerando que os espaços pretos são os vazios da
amostra, nota-se que a primeira apresenta-se mais compacta, indicando que o teor de umidade
influiu na compacidade das placas das quais foram retiradas as amostras confirmando o que se
percebeu na análise por DRX. À medida que se tem um valor maior para a relação
água/cimento, amplia-se a quantidade de vazios da placa e conseqüentemente, há a redução da
resistência à compressão não confinada da mistura. Nota-se também que há um maior volume
de vazios na amostra que apresentou maior relação água/cimento (Figura 5.13). Comparando
a Figura 5.12b com a Figura 2.21c percebe-se que ocorre a possibilidade desta amostra ainda
não estar totalmente hidratada, observados alguns grânulos de cimento ainda não hidratados
(ressaltados com um círculo).
Essas observações e, também o que consta no item 2.4.1.1, leva a dedução de que, a relação
água/cimento utilizada tem influência sobre a eficiência da mistura SCB quando utilizada em
barreiras hidráulicas verticais e que, o estudo de uma mistura com relação água/cimento
menor do que 4 poderia proporcionar um material mais eficiente.
Em áreas porosas é possível observar fases hidratadas individuais sob aumentos maiores. Por
exemplo, podem ser vistos cristais grandes de hidróxido de cálcio (Ca(OH)
2
), agulhas finas e
longas de etringita (Figura 5.14b) e agregações de cristais fibrosos pequenos de silicato de
cálcio hidratado, com aumentos de 2000x e 5000x (Mehta & Monteiro, 1994). Observando as
Figuras 5.14 e 5.15, verificou-se a formação da etringita, provavelmente em conseqüência da
utilização de uma relação água-cimento igual a 4. A presença desse argilomineral pressupõe
baixa resistência ao cimento, como apresentado no item 2.4.1.1.6, letra “e”, e mostrado na
Figura 2.21.
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
205
Nas Figuras 5.13, 5.14, 5.15 e 5.16, onde se utilizou o mesmo teor de umidade e mesma
relação água/cimento, percebe-se a desestruturação do cimento tanto quando misturado ao
H
2
SO
4
(Figuras 5.14 e 5.16a) quanto a NaOH (Figuras 5.15 e 5.16b), todavia, segundo as
amostras analisadas, sugere-se que, no primeiro caso, há uma estrutura floculada e as fibras,
que caracterizam a evolução da cura do cimento, desenvolvendo-se naturalmente. Já no
segundo, ocorre um maior número de vazios, as fibras parecem estar sendo encobertas pelo
NaOH, posteriormente desintegrando-se (área lateral da microscopia - Figura 5.15b).
(a) (b)
Figura 5.14 – SEM do Cimento CP V ARI contaminado por H
2
SO
4
,
teor de umidade igual a 100%, relação água/cimento = 1. (a) ampliada
600 vezes; (b) ampliada 3000 vezes.
(a) (b)
Figura 5.15 – SEM do Cimento CP V ARI contaminado por NaOH,
teor de umidade igual a 100%, relação água/cimento = 1
(a) ampliada 600 vezes; (b) ampliada 3000 vezes
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
206
(a) (b)
Figura 5.16 – SEM do Cimento CP V ARI contaminado, na forma de
pó - teor de umidade igual a 400%, relação água/cimento = 4,
ampliação 3000 vezes
(a) H
2
SO
4
– ácido sulfúrico; (b) NaOH – soda cáustica
É importante salientar que nas Figuras 5.2, 5.3, 5.4 e 5.5 foram representados os
difratogramas obtidos a partir dos fragmentos das placas de cimento cujas micrografias são
mostradas nas Figuras 5.12a, 5.13a, 5.16a e 5.16b. O cruzamento das informações obtidas,
por microscopia eletrônica de varredura e difração de raios-x confirmou que houve perda de
argilominerais mediante a contaminação do cimento.
A análise química elementar, por EDS, das amostras de cimento misturadas à
água destilada,
ácido sulfúrico e soda cáustica, foi realizada nas sessões de microscopia eletrônica de varredura
simultaneamente. Este tipo de análise auxiliou na determinação da constituição química das
amostras e na confirmação dos minerais registrados na difração de raios-x.
A análise por EDS pode ter seus resultados apresentados na forma de tabela e espectro. Neste
Trabalho os espectros são apresentados juntamente com as amostras analisadas. As Tabelas,
onde consta o percentual de cada elemento químico detectado, foram utilizadas para
determinar a relação entre os elementos químicos comuns às amostras somente na análise por
microscopia eletrônica de transmissão (item 5.1.4).
Nas Figuras 5.17, 5.18, 5.19 e 5.20 têm-se os elementos químicos detectados durante a
investigação de fragmentos das placas de cimento, durante as sessões de microscopia eletrônica
de varredura. Nas Figuras 5.17 e 5.18 têm-se as imagens determinadas por microscopia e
análise química elementar das amostras hidratadas, com teor de umidade 30% e relação
água/cimento igual a 0,3 e com teor de umidade igual a 100% e relação água/cimento igual 1,
respectivamente; nas Figuras 5.19 e 5.20 têm-se, na seqüência, as imagens e análise química
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
207
elementar das amostras contaminadas por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) com teor de umidade igual a
100% e relação água/cimento igual a 1 e, por soda cáustica (NaOH) sob as mesmas condições.
Os resultados obtidos na investigação através de SEM permitiram perceber como se
organizam os argilominerais do cimento mediante hidratação ou contaminação pelas
substâncias estudadas, e a proporção em que os elementos químicos básicos de sua
constituição aparecem. Estes dados facilitarão na compreensão do comportamento químico do
cimento quando adicionado a bentonita sódica e ao SRAB.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
208
(a)
(b)
Figura 5.17 - CP V ARI hidratado, teor de umidade igual a 30%,
relação água/cimento = 0,3; (a) SEM; (b) EDS
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
209
(a)
(b)
Figura 5.18 - Cimento CP V ARI hidratado, teor de umidade igual a
400%, relação água/cimento = 4; (a) SEM; (b) EDS
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
210
(a)
(b)
Figura 5.19 – Cimento CP V ARI contaminado por ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
), na forma de pó - teor de umidade igual a 400%, relação
água/cimento = 4, ampliação 3000 vezes. (a) SEM; (b) EDS
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
211
(a)
(b)
Figura 5.20 – Cimento CP V ARI contaminado por soda cáustica
(NaOH), na forma de pó - teor de umidade igual a 400%, relação
água/cimento = 4, ampliação 3000 vezes. (a) SEM; (b) EDS
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212
5.1.4 Microscopia Eletrônica de Transmissão e Análise Química Elementar
As imagens obtidas por microscopia eletrônica de transmissão permitiram que se conhecesse
a morfologia das partículas do cimento utilizado neste Trabalho. Estas, quando hidratadas,
contaminadas por ácido sulfúrico e contaminadas por soda cáustica nos 7 dias de idade,
possibilitam ainda a determinação da constituição química básica das principais formas
encontradas através da análise por EDS. O nível de ampliação possibilitado pelo aparelho
permitiu conhecer de forma pormenorizada cada partícula detectada.
Ao analisar os resultados levou-se em conta que o porta-amostra utilizado no Microscópio
Eletrônico de Transmissão é de cobre (Cu) e que sua câmara de observação possui oxigênio
(O). Estes constituintes também são detectados pelo aparelho no momento da análise por
EDS. Devido a este fato, o percentual de cada elemento químico registrado pelo equipamento
não é um valor absoluto e então, determinou-se apenas a razão entre os valores obtidos para
perceber se as frações de cada elemento químico aumentaram ou diminuíram, à medida que as
amostras foram contaminadas (Tabela 5.4). Na realização das razões, apresentadas na Tabela
5.4, comparou-se os elementos químicos encontrados com o cálcio (Ca) pelo fato deste
elemento, ter sido encontrado em todas as amostras analisadas, inclusive na contaminada por
soda cáustica (NaOH), designada tipo A, na qual somente o cálcio foi identificado. Este
procedimento facilitou a interpretação dos resultados obtidos. Como, por vezes, numa mesma
amostra, foram encontradas partículas de formas e constituições químicas diferentes, decidiu-
se por designá-las por tipo A, B ou C tanto na Tabela 5.4, como as Figuras 5.21, 5.22, 5.23,
5.24, 5.25, 5.26, 5.27 e 5.28, com o objetivo de facilitar a interpretação dos resultados ao
compará-los.
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
213
Tabela 5.4 – Amostras de Cimento CP – V ARI – Resultados de EDS
- Microscópio Eletrônico de Transmissão -
Razão
Mg/Ca, Al/Ca, Fe/Ca, Si/Ca, S/Ca, Na/Ca, K/Ca e Ti/Ca
RAZÃO
AMOSTRA
Hidrat. - tipo A 0,12 0,08 0,04 0,64 0,05 0,24 0,04 0,03
Hidrat. - tipo B
0,00 0,82 0,00 0,39 0,18 0,00 0,01 0,00
Contam. H
2
SO
4
- Tipo A
0,00
0,00
0,00
0,16
0,67
0,00
0,00
0,00
Contam. H
2
SO
4
- Tipo B
0,00
0,00
0,00
0,27
0,60
0,00
0,00
0,00
Contam. NaOH - Tipo A
0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Contam. NaOH - Tipo B
0,13 0,06 0,01 0,71 0,07 0,56 0,00 0,00
Contam. NaOH - Tipo C
0,00
0,48
0,00
0,13
0,16
0,00
0,00
0,00
Mg/Ca Al/Ca Fe/Ca Si/Ca S/Ca Na/Ca K/Ca Ti/Ca
OBSERVAÇÃO: Os tipos de amostras designados como A, B e C na coluna AMOSTRA, referem-se às porções
de cimento analisadas, cujas imagens obtidas por Microscopia Eletrônica de Transmissão são apresentadas nas
Figuras 5.22, 5.23, 6.24, 5.25, 5.26, 5.27, 5.28 e 5.29 deste item. Estas frações também foram analisadas por
EDS e os resultados obtidos foram utilizados para determinar as razões apresentadas.
Nas Figuras 5.21, 5.22, 5.23, 5.24, 5.25, 5.26, 5.27 e 5.28 são apresentadas as partículas
características de cada amostra observada. Pode-se perceber que visualmente são totalmente
diferentes e que se assemelham as estruturas morfológicas encontradas nas imagens obtidas
por Microscopia Eletrônica de Varredura.
As Figuras 5.21, 5.22 e 5.23 mostram as partículas determinadas na amostra de cimento
hidratado por 7 dias, bem como a sua constituição química elementar.
Observando a Figura 5.21 juntamente com os dados fornecidos pela Tabela 5.4, pode-se supor
que a partícula, embora de tamanho menor do que o outro tipo detectado é mais rica em
minerais, visto que foram detectados magnésio (Mg), alumínio (Al), ferro (Fe), silício (Si)
estes em maior proporção e enxofre (S), sódio (Na), potássio (K), titânio(Ti) e cálcio (Ca).
O segundo tipo de partícula identificada na amostra de cimento hidratado (Figura 5.22), cujos
resultados da análise química elementar são apresentados na Figura 5.23, sugerem que a
mesma é rica em alumínio (Al) e constituída também de silício (Si), enxofre (S) e potássio
(K).
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214
(a)
(b)
Figura 5.21 – amostra de cimento hidratado por 7 dias, teor de
umidade igual a 400% e relação água/cimento = 4 – Tipo A -
(a) TEM, ampliada 50.000 vezes; (b) EDS da amostra.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
215
(a)
(b)
Figura 5.22 – amostra de cimento hidratado por 7 dias, teor de
umidade igual a 400% e relação água/cimento = 4 –
Tipo B
(a) TEM - ampliada 15.000 vezes; (b) TEM - ampliada 40.000 vezes
Ainda analisando a Figura 5.22, cabe salientar que as imagens obtidas parecem ser de
agregações de cristais fibrosos pequenos de silicato de cálcio hidratado. Chegou-se a esta
conclusão ao comparar estas imagens com a Figura 5.13 (porção assinalada) e com o
resultado de EDS apresentado na Figura 5.23.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
216
Figura 5.23 – amostra de cimento hidratado por 7 dias, teor de
umidade igual a 400% e relação água/cimento = 4 –
Tipo B
EDS da amostra.
Nas Figuras 5.24 e 5.25 têm-se as imagens das partículas encontradas em maior quantidade na
amostra de cimento contaminado por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
), relação água/cimento igual a 4
(mesmo da mistura SCB) e de 7 dias de idade. Os resultados apresentados nas duas Figuras
citadas e na Tabela 5.4 sugerem que a constituição química das duas partículas é basicamente
a mesma, ou seja, cálcio (Ca), silício (Si) e enxofre (S) que aparece em maior proporção do
que nas partículas hidratadas. Esta constatação corrobora a afirmativa de que houve retenção
do enxofre proveniente do ácido sulfúrico pelas partículas de cimento. Pode-se perceber ainda
a redução do teor de silício (Si) do cimento quando contaminado pelo ácido.
Nas Figuras 5.26, 5.27 e 5.28 são apresentadas as partículas detectadas na amostra
contaminada por soda cáustica (NaOH). Foram encontrados três tipos característicos. No que
se refere à amostra apresentada na Figura 5.26, constatou-se que ela é constituída basicamente
por cálcio (Ca), visto que outros elementos químicos não foram detectados pelo aparelho. Sua
forma aproxima-se muito a imagem da partícula presente na Figura 5.16 (assinalada)
pertencente, também, a uma espécime contaminada por NaOH.
Na Figura 5.27, tem-se a imagem do fragmento responsável pela retenção do sódio (Na),
pertencente ao contaminante (ver Tabela 5.4). A partícula apresentada na Figura 5.28
constitui-se de silício (S), enxofre (S) e alumínio (Al), em maior proporção.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
217
(a)
(b)
Figura 5.24 – amostra de cimento contaminado por H
2
SO
4
– idade: 7
dias - teor de umidade igual a 400% - Relação água/cimento = 4 –
Tipo A - (a) TEM, ampliada 12.000 vezes; (b) EDS da amostra.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
218
(a)
(b)
Figura 5.25 – amostra de cimento contaminado por H
2
SO
4
– idade: 7
dias - teor de umidade igual a 400% - Relação água/cimento = 4 –
Tipo B - (a) TEM, ampliada 40.000 vezes; (b) EDS da amostra.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
219
(a)
(b)
Figura 5.26 – amostra de cimento contaminado por NaOH – idade: 7
dias - teor de umidade igual a 400% - Relação água/cimento = 4 –
Tipo A - (a) TEM, ampliada 6.000 vezes; (b) EDS da amostra.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
220
(a)
(b)
Figura 5.27 – amostra de cimento contaminado por NaOH – idade: 7
dias - teor de umidade igual a 400% - Relação água/cimento = 4 –
Tipo B - (a) TEM, ampliada 15.000 vezes; (b) EDS da amostra.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
221
(a)
(b)
Figura 5.28 – amostra de cimento contaminado por NaOH – idade: 7
dias - teor de umidade igual a 400% - Relação água/cimento = 4 –
Tipo B - (a) TEM, ampliada 12.000 vezes; (b) EDS da amostra.
Enfim, com base nos resultados obtidos, acredita-se que o cimento CP V – ARI ao ser
contaminado por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) numa concentração de 5%, ou soda cáustica (NaOH)
na mesma concentração, muda sua constituição, perdendo parte dos seus minerais. Minerais
esses, que antes da contaminação incluíam em sua composição magnésio (Mg), alumínio (Al),
ferro (Fe), sódio (Na) ou potássio (K) sofreram alterações. Assim que, a redução no teor desses
elementos nas amostras analisadas (Tabela 5.4) foi comprovada.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
252
5.3.1 Medição de pH
A Tabela 5.8 apresenta os resultados das medições de pH realizadas nas três frações de SRAB
especificadas no item 3.1.5.3.1. As medidas foram feitas a partir das soluções contendo as
frações de solo especificadas e água, ácido sulfúrico (H2SO4) a concentração de 5% e soda
cáustica (NaOH) na mesma concentração. O pH do ácido sulfúrico (H2SO4) e do (NaOH)
antes da mistura eram respectivamente 0,15 e 12,99. Analisando a referida Tabela e a Figura
5.62, pode-se notar que as frações do SRAB têm pHs característicos, visto que quando
misturados à água assumem valores diferenciados para essa variável, percebe-se também que,
a solução alterou seu pH ao serem misturadas as frações de solo, o que pode significar que, as
frações de SRAB têm a propriedade de reduzir a alcalinidade do contaminante e também
absorver a acidez de substâncias de extrema alcalinidade ou acidez.
Tabela 5.8 – Evolução do pH das frações de SRAB em solução aquosa
(H
2
O), ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH)
Tempo 0 1 dia 4 dias 7 dias
ret 500mm/ H
2
O
7,17
ret 500mm H
2
SO
4
1,47 1,45 1,77 1,98
ret 500mm NaOH 11,27 11,23 11,09 10,87
ret 75mm H
2
O 7,17 7,12 5,40 6,85
ret 75 H
2
SO
4
1,47
1,81 1,57 1,97
ret 75mm NaOH
11,27
11,28 11,10 10,77
pas 75mm H
2
O
7,17
5,33 5,83 5,40
pas 75mm H
2
SO
4
1,47
1,63 1,36 1,57
pas 75 NaOH
11,27
11,23 11,07 10,83
FRAÇÃO
GRANULOM./LÍQ.ADIC.
IDADE DA AMOSTRA
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
253
RET500/
H2O
RET500/
H2SO4
RET500/
NaOH
RET75/
H2O
RET75/
H2SO4
RET75/
NaOH
PAS75/
H2O
PAS75/
H2SO4
PAS75/
NaOH
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
11,00
12,00
Tempo 0
1 dia
4 dias
7 dias
Figura 5.62 - Evolução dos pHs das frações de SRAB em solução
aquosa (H
2
O), ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH)
Todavia isto não significa que essas frações não sofreram alterações em sua constituição
física. Somente as análises por difração de raios-x, por microscopia eletrônica de varredura e
por transmissão atômica, poderão dar essa resposta.
5.3.2. Difração de Raios-x
A Figura 5.63 mostra o difratograma de raios-x do SRAB, utilizado neste estudo. Foram
identificadas as fases caulinita, hematita e o quartzo, em maior quantidade, fato que pode
comprovado pelo pico mais intenso.
As Figuras 5.64, 5.65 e 5.66 mostram os resultados das análises por DRX das frações Argila,
Silte e Areia sem contaminação e quando contaminadas por NaOH e H
2
SO
4
. Percebe-se que a
Fração Argila quando contaminada por NaOH e H
2
SO
4
gera novas fases – sodalita
(Na
4
Cl(Al
3
Si
3
O
12
) e rhomboclase (H
5
O
2
)Fe(SO
4
)
2
(H
2
O)
2
– respectivamente, e mantém as
fases - quartzo e a caulinita.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
254
0
18000
0 10 20 30 40 50 60 70
80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
- SiO
2
– quartzo; - Al
2
Si
,
O
5
(OH)
4
– caulinita; -Fe
2
O
3
– hematita.
Figura 5.63 - Difratograma do SRAB sem contaminação
0
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
sem contaminação
contaminada por NaOH
contaminada com H
2
SO
4
- SiO
2
– quartzo; - Al
2
Si
,
O
5
(OH)
4
– caulinita; - Ca
3
Al
2
O
6
– óxido aluminato de cálcio
-(H
5
O
2
)Fe(SO
4
)
2
(H
2
O)
2
– rhomboclase - Na
4
Cl(A
l3
Si
3
O
12
) - sodalita
Figura 5.64 - Difratograma da fração argila do SRAB sem
contaminação, contaminada por NaOH e por H
2
SO
4
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
255
0
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
sem contaminaç.
contamin. com NaOH
contamin. c/ H
2
SO
4
SiO
2
- quartzo
Figura 5.65 - Difratograma da fração Silte do SRAB sem
contaminação, contaminada por H
2
SO
4
e por NaOH
0
10
0 10 20 30 40 50 60 70
80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
sem contaminação
contam NaOH
contam H
2
SO
4
- SiO
2
- quartzo
Figura 5.66 - Difratograma da fração arenosa do SRAB sem
contaminação, contaminado por H
2
SO
4
e por NaOH
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256
Nas Frações Silte e Areia foi possível identificar apenas a presença de quartzo conforme
mostram as Figuras 5.65 e 5.66. Já na fração argila além do quartzo reconheceu-se ainda,
hematita e caulinita. As fases caulinita e hematita foram também encontradas por Thomé
(1999).
Observando a Figura 5.65 pode-se constatar que a soda cáustica (NaOH) e o ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
) quando em contato com a fração silte transportam consigo uma pequena quantidade
de quartzo no líquido lixiviado. Este fato pode ser percebido pela pequena redução do pico
mais intenso desta fase. Quando em contato com a fração Areia, o efeito do ácido sulfúrico
sobre a mesma é mais prejudicial do que o da soda cáustica, fato verificado pela redução das
intensidades dos picos (Figura 5.66). Esta observação levou a dedução de que, provavelmente,
o lixiviado detém o quartzo perdido.
Esta probabilidade então, pode justificar o comportamento hidráulico da mistura do tipo SB
quando percolada por ácido sulfúrico e soda cáustica (ver item 4.2.1) onde o valor do
coeficiente de condutividade hidráulica aumenta em poucas horas de ensaio, provavelmente
em decorrência da ampliação do volume de vazios da amostra que ocorreu devido, também,
ao carregamento dos minerais pelo lixiviado.
5.3.3 Análise Química Elementar
No ato da obtenção das imagens microscópicas realizou-se a análise química elementar
quantitativa de algumas amostras (EDS). Parte dos resultados obteve-se a partir da
microscopia eletrônica de transmissão (TEM ) e outros por microscopia eletrônica de
varredura (SEM ). Os resultados são apresentados a seguir.
5.3.3.1 Análise Química Elementar e M icroscopia Eletrônica de Transmissão
Durante a obtenção das imagens por microscopia eletrônica de transmissão da fração argilosa
do arenito Botucatu, foram geradas as Figuras 5.67, 5.68, 5.69, 5.70, 5.71 e 5.72 onde é
apresentada a morfologia de cada partícula (típica da amostra analisada) bem como sua
constituição química elementar.
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
257
Observando a Figura 5.67 pode-se constatar que a fração argilosa do solo utilizado apresenta
em sua constituição química: ferro (Fe), sódio (Na), magnésio (M g), alumínio (Al), silício
(Si) e potássio. O cobre (Cu) e o oxigênio (O) foram desconsiderados pelos motivos expostos
no item 5.2.4.1.
(a)
(b)
Figura 5.67 - Fração argilosa do solo arenito Botucatu sem
contaminação - (a) TEM - ampliação 7.000 vezes (b) EDS
Nas Figuras 5.68, 5.69 e 5.70 têm-se as imagens das partículas obtidas a partir da amostra de
fração argilosa do arenito Botucatu contaminada por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
). No EDS da
partícula identificada como tipo A foram determinadas a presença de ferro (Fe), alumínio (Al)
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
258
e Silício (Si
),
na partícula tipo B, os mesmos constituintes químicos além do potássio (K), na
partícula tipo C, os mesmos constituintes identificados no tipo A, em diferentes proporções.
Logo, pode-se afirmar que, na fração argilosa do arenito Botucatu sob contaminação de ácido
sulfúrico, os elementos químicos se arranjam de formas diferenciadas originando fragmentos
também diferentes.
(a)
(b)
Figura 5.68 – Fração argilosa do solo arenito Botucatu contaminada
por H
2
SO
4
- Tipo A (a) TEM - ampliação 20.000 vezes (b) EDS
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
259
(a)
(b)
Figura 5.69 – Fração argilosa do solo arenito Botucatu contaminada
por H
2
SO
4
- Tipo B - (a) TEM - ampliação 30.000 vezes (b) EDS
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260
(a)
(b)
Figura 5.70 - Fração argilosa do solo arenito Botucatu contaminada
por H
2
SO
4
- Tipo C - (a) TEM – ampliação 20.000 vezes (b) EDS
A análise da amostra contaminada por soda cáustica (NaOH) gerou as imagens apresentadas
nas Figuras 5.71 e 5.72, nas quais têm-se também a constituição química de cada uma delas.
No EDS da partícula identificada como tipo A foi identificado apenas o sódio (Na), já na de
tipo B observou-se a presença de ferro (Fe), sódio (Na), alumínio (Al) e silício (Si) na
partícula, demonstrando que a mesma sofreu menos os efeitos produzidos pela contaminação.
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
261
(a)
(b)
Figura 5.71 – Fração argilosa do solo arenito Botucatu contaminada
por NaOH - Tipo A. (a) TEM - ampliação 15.000 vezes (b) EDS
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262
(a)
(b)
Figura 5.72 – Fração argilosa do solo arenito Botucatu contaminada por NaOH - Tipo B -
(a) TEM - ampliação 60.000 vezes (b) EDS
5.3.3.2 Análise química elementar e microscopia eletrônica de varredura
Como os resultados de EDS da fração argilosa foram obtidos por microscopia eletrônica de
transmissão, reservou-se à microscopia eletrônica de varredura às frações silte e areia para
investigação da sua constituição química elementar quando contaminadas ou não.
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
263
Nas Figuras 5.73 e 5.76 são apresentadas a fração arenosa e a fração silte sem contaminação.
Verificaram-se na fração arenosa as fases: Ferro (Fe), Silício (Si) e Alumínio (Al) e na fração
Silte, o Silício (Si) e alumínio (Al) basicamente.
Observando as Figuras 5.74 e 5.75 pode-se perceber que, a contaminação por ácido sulfúrico
não extrai da fração arenosa seus minerais e que a mesma tem a propriedade de adsorver o
enxofre (S) contido no ácido e o sódio (Na) na soda cáustica, visto que os mesmos foram
detectados nas amostras (Figuras 5.74 e 5.75).
(a)
(b)
Figura 5.73 – Fração arenosa-porção retida 500
µ
m – sem
contaminação – (a) SEM - ampliação 50 vezes (b) EDS
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264
(a)
(b)
Figura 5.74 – Fração arenosa-porção retida 500
µ
m – contaminada por
H
2
SO
4
– idade: 7 dias – (a) SEM - ampliação 600 vezes (b) EDS
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
265
(a)
Figura 5.75 – Fração arenosa-porção retida 500
µ
m – contaminada por
NaOH – idade: 7 dias – (a) SEM - ampliação 600 vezes (b) EDS
__________________________________________________________________________________________
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266
(a)
(b)
Figura 5.76 – Fração silte-porção retida 75
µ
m – sem contaminação –
(a) SEM - ampliação 400 vezes; (b) EDS
__________________________________________________________________________________________
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
267
Na fração silte pode-se perceber que nas amostras analisadas ocorreu adsorção dos
contaminantes pela mesma. Nas Figuras 5.77a e 5.78a é evidente que as partículas estão
recobertas pelos contaminantes comprovando-se este fato através da análise dos resultados
apresentados nas Figuras 5.77b e 5.78b onde se constata a presença do enxofre (S) e do sódio
(Na) que foram adsorvidos pelos grãos de silte.
(a)
(b)
Figura 5.77 – Fração silte - porção retida 75
µ
m – contaminada por
H
2
SO
4
– idade: 7 dias - (a) SEM - ampliação 600 vezes; (b) EDS
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268
(a)
(b)
Figura 5.78 – Fração silte – porção retida 75
µ
m – contaminada por
NaOH – idade: 7 dias - (a) SEM - ampliação 600 vezes; (b) EDS
A Tabela 5.9 foi determinada a partir dos valores extraídos das Tabelas que fazem parte dos
de EDS de cada amostra. Os resultados apresentados para a fração argila foram obtidos a
partir das amostras analisadas por TEM e para as frações areia e silte, de outras analisadas por
SEM.
Ao investigá-las foram verificadas as razões - Al/Si, Fe/Si e Fe/Al - a fim de avaliar as
modificações ocorridas nas amostras após a contaminação. Se comparada esta Tabela com as
Figuras apresentadas nos itens 5.3.3.1 e 5.3.3.2 faz-se necessário elucidar que, a proporção
Al/Si
para a fração silte foi determinada na mesma como “sem ocorrência” (S.O.) pelo fato do
teor de alumínio (Al) da fração Silte, determinado pelo aparelho, ser muito pequeno o que,
cientificamente, não garante a sua presença na amostra. Logo, embora o elemento químico
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
269
citado tenha sido visualizado nas Figuras 5.77b e 5.78b, foi desconsiderado na definição da
Tabela.
Tabela 5.9 – Resultado EDS das frações de SRAB
Al/Si Fe/Si Fe/Al Razão
fração
S. cont.
Cont.
NaOH
Cont.
H
2
SO
4
S. cont.
Cont.
NaOH
Cont.
H
2
SO
4
S. cont.
Cont.
NaOH
Cont.
H
2
SO
4
Argila 0,90
0,84
0,90
0,14
0,01
0,01
0,15
0,02
0,01
Silte 0,03*
S.O.
0,04
0
S.O.
0
0
S.O.
0
Areia 0,13
0,02
0,02
0,06
0
0
0,43
0
0
CONVENÇÃO: S.O. –
sem ocorrência; * – há dúvida quanto a ocorrência.
Considerando os resultados de EDS de todas as amostras apresentadas nos itens 5.3.3.1 e
5.3.3.2 e verificando a Tabela 5.9, pode-se assinalar que:
(a) a fração argila
do SRAB, quando contaminada, mantém o teor de
alumínio (Al);
(b) parte dos minerais foram lixiviados quando a fração argilosa foi contaminada e
que o ferro (Fe) é um dos poucos constituintes químicos que se mantém;
(c) o ferro (Fe), embora identificado tem sua proporção reduzida na medida que a
fração argilosa sofre contaminação (ver Tabela 5.9);
(d) a fração argila quando contaminada por ácido sulfúrico ou soda cáustica não
perde seus constituintes químicos;
(e) a fração areia quando contaminada reduz o teor de alumínio (Al) e silício (Si) e
perde o ferro (Fe) de sua constituição química.
(f) a fração silte não contém ferro (Fe) em condições normais e quando
contaminada por NaOH perde o alumínio e o parte do silício de sua constituição
química;
(g) a fração silte sofre os efeitos da contaminação pelo ácido sulfúrico e soda
cáustica podendo-se comprovar este fato pela redução dos picos assinalados nas
Figuras 5.88 e 5.89 e pelos dados fornecidos pela Tabela 5.9;
(h) no que se refere à morfologia, as partículas identificadas da fração argilosa são
totalmente diferentes, mesmo por vezes tendo mesma constituição química, e que
os grãos das frações areia e silte têm a propriedade de adsorver parte dos
contaminantes utilizados;
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270
5.3.4 Microscopia Eletrônica de Varredura
Foram analisadas amostras das frações de SRAB com e sem contaminação. Parte das
amostras analisadas foi apresentada no item 5.3.3.2. As demais investigações são
apresentadas a seguir.
Nas Figuras 5.79 e 5.80 tem-se a fração argilosa sem contaminação e contaminada (por ácido
sulfúrico e soda cáustica). O estado de agregação das partículas é substancial, nota-se que as
mesmas estão unidas em pacotes laminares. Observando a Figura 5.80a percebe-se algumas
partículas de forma hexagonal, que se acredita ser de caulinita.
(a) (b)
Figura 5.79 – SEM da fração argilosa do SRAB sem contaminação.
(a) ampliada 600 vezes; (b) ampliada 3000 vezes.
(a) (b)
Figura 5.80 – SEM da fração argilosa do SRBA ampliada 3000 vezes.
(a) contaminada por NaOH, 5%; (b) contaminada por H
2
SO
4
, 5%.
Comparando as imagens apresentadas nas Figuras 5.79b, 5.80a e 5.81b nota-se que, a
alteração na estrutura molecular quando contaminada por soda cáustica ou ácido sulfúrico, é
evidente, quando a fração argilosa é contaminada por soda cáustica as partículas ainda
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico de barreiras hidráulicas verticais, compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
271
formam pacotes laminares, porém com maior espaço intercamadas (Pereira, 2005).
Observando a Figura 5.80b nota-se que as partículas parecem ter ampliado suas dimensões
superficiais e que ocorre uma nova forma de agregação das mesmas. Elas parecem ter sido
corroídas, progressivamente, em suas bordas, pelo contaminante. Esta afirmação pode ser
corroborada pela imagem mostrada na Figura 5.70.
Na Figura 5.81 é apresentada fração de silte (>75
µ
m e <500
µ
m) sem contaminação e
contaminada por soda cáustica e ácido sulfúrico. Percebe-se que as partículas contaminadas
por NaOH são parcialmente recobertas pelo contaminante sem sofrer alterações na forma
original das partículas (Figura 5.81a), já as contaminadas por H
2
SO
4
encontram-se totalmente
recobertas pelo contaminante e sofreram modificações em sua morfologia (Figura 5.81b).
(a)
(b) (c)
Figura 5.81 – SEM da fração silte do SRAB ampliada 600 vezes - (a)
sem contaminação; (b) contaminada por NaOH, 5%; (c) contaminada
por H
2
SO
4,
5%.
Na Figura 5.82 tem-se a fração arenosa (>500
µ
m) do SRAB sem contaminação ampliada 600
vezes. A diferenciação em sua morfologia quando contaminada por soda cáustica, ou ácido
sulfúrico pode ser percebida ao analisar a Figura 5.83. Analisando as Figuras 5.82 e 5.83c,
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272
nota-se que os grãos da fração arenosa sofrem alterações após a inserção do ácido, pois, a
partícula parece estar corroída após o contato com o ácido sulfúrico apresentando algumas
perfurações na superfície.
Figura 5.82 – SEM da fração arenosa do SRAB sem contaminação
ampliada 300 vezes.
(a)
(b) (c)
Figura 5.83 – SEM da fração arenosa do Solo Residual Arenoso
Botucatu ampliada 50 vezes (a) sem contaminação; (b) contaminada
por NaOH, 5%; (c) contaminada por H
2
SO
4,
5%.
__________________________________________________________________________________________
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residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
273
(a) (b)
Figura 5.84 – SEM da fração arenosa do SRAB ampliada 600 vezes –
(a) contaminada por NaOH, 5%; (b) contaminada por H
2
SO
4,
5%.
Em suma, através dos resultados obtidos pela análise por microscopia eletrônica de varredura
foi possível conhecer as frações granulométricas do SRAB no seu estado natural ou quando
contaminadas além de perceber os efeitos na morfologia dessas frações quando sobre efeito da
soda cáustica, ou ácido sulfúrico, de forma pormenorizada.
5.3.5 Variação Granulométrica
Os resultados de Foppa (2005) foram utilizados neste Trabalho devido ao fato do autor citado
ter empregado o mesmo solo dessa pesquisa. As propriedades físicas do SRAB determinadas
são mostradas na Tabela 5.10 e na Figura 3.26 tem-se a curva granulométrica representativa
do solo determinada pelo aparelho COULTER. Analisando a Tabela 5.10, nota-se que o solo
utilizado é constituído, principalmente, de areia fina (45,4%) e silte (33,4%) e que a argila é
fração minoritária, ou seja, tem-se apenas 5% do total. Na Figura 5.85, percebe-se, nesta
fração, a predominância de partículas com diâmetro de 0,6
µ
m e 2
µ
m.
Avaliando estes resultados, do ponto de vista químico (segundo avaliação dos resultados por
DRX e EDS) pode-se afirmar que, nos ensaios de condutividade hidráulica, quando as
misturas SB são percoladas por ácido sulfúrico e soda cáustica (nas concentrações estudadas),
os minerais contidos no solo, praticamente, não são extraídos pelo líquido percolante, pois o
quartzo, mineral identificado no silte e na areia fina por DRX e EDS, permanece no solo
depois da contaminação do mesmo (Figuras 5.65, 5.66, 5.74, 5.75, 5.77 e 5.78). Pode-se então
assegurar que o alto valor do coeficiente de condutividade hidráulica (
k
) obtido quando o
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
274
ácido sulfúrico é percolado se deve unicamente a incompatibilidade da bentonita sódica
utilizada na mistura com esta substância.
Tabela 5.10 – Propriedades Físicas do SRAB
PRO PRIED ADES VALORES
NORMA SEGU ID A
PARA
CLASSIFICAÇÃO E/
OU ENSA IO
O BSERV AÇÕES
Limite de Liquidez (LL) 23% NBR 6459/84 -
Limite de Plasticidade (LP) 13% NBR 7180/84 -
Índice de Plasticidade(IP) 10% - -
D ensidade Rea l dos Grãos (G) 2,64 NBR 6508/84
Média de 3
determinações
% de Areia Média (0,2 < φ < 0,6
mm)
16,2%
% de Areia fina (0,06 < φ < 0,2
mm)
45,4%
% de Silte (0,002 < φ < 0,06 mm) 33,4%
% de Argila (φ < 0,002 mm)
5,0%
NBR 6502/95
Com uso de
defloculante
D iâmetro Efetivo (D
10
) 0,0032 mm NBR 6502/95 -
Coeficiente de Uniformidade (C
u
) 50 NBR 6502/95 -
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000
diâmetro (µ
µµ
µm)
volume (%)
Figura 5.85 - Distribuição Granulométrica da fração argilosa do
SRAB (Coulter)
__________________________________________________________________________________________
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6 PROPRIEDADES QUÍMICAS DAS MISTURAS SB E SCB -
RESULTADOS E ANÁLISES
No que se refere às propriedades químicas, as amostras do mistura tipo SB e SCB foram
analisadas pelos processos de difratometria de raios-x e microscopia eletrônica de varredura
(SEM). Os resultados obtidos são apresentados abaixo
6.1 MISTURAS SCB
6.1.1 Análise por Difratometria de Raios-X
Os difratogramas apresentados nas Figuras 6.1, e 6.2 demonstram as alterações ocorridas nas
fases cristalinas das misturas SCB, quando contaminadas por ácido sulfúrico (H2SO4) e soda
cáustica (NaOH) conforme a posição de onde foi retirada a amostra.
Nota-se que as misturas, ao serem percoladas por ácido sulfúrico e por soda cáustica,
sofreram alterações principalmente na porção superior, o que pode ser verificado pela
intensidade dos picos, representados nas Figuras 6.1 e 6.2. Nestas Figuras foi acrescentado o
espectro resultante da análise da amostra percolada por água destilada com o propósito de
comparar a intensidade dos picos nas fases determinadas. Nota-se uma redução na intensidade
dos mesmos nas amostras percoladas pelos contaminantes. Este fato pode ser interpretado
como uma perda parcial dos minerais, quando a mistura foi percolada por ácido sulfúrico e
soda cáustica.
Analisando a Figura 6.3, constata-se que a mistura SCB ao ser percolada por ácido sulfúrico
(H2SO4) sofre alterações em sua estrutura cristalina de maior magnitude do que o percolada
por soda cáustica (NaOH) ou água (H
2
O).
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
276
0
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2θ
2θ2θ
2θ
Intensidade (CPS)
sem permeação
perm. por H
2
O
porç. inf.
porç.intermed.
porção superior
x x x
-
SiO
2
–
quartzo;
-
Al
2
Si
,
O
5
(OH)
4
–
caulinita;
-
CaSO
4
.2H
2
O (CSH
2
)
-
Ca
2
SiO
4
(C
2
S)
-
Ca
3
SiO
5
(C
3
S)
x
-
Ca(OH)
2
-
CH
Figura 6.1 - Difratograma da mistura SCB permeada por H
2
SO
4
0
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
sem permeação
perm. por H
2
O
porção inf.
porção méd.
porção sup.
x
x
-
SiO
2
–
quartzo;
-
Al
2
Si
,
O
5
(OH)
4
–
caulinita;
-
CaSO
4
.2H
2
O (CSH
2
)
-
C
a
2
SiO
4
(C
2
S)
-
Ca
3
SiO
5
(C
3
S)
x
-
Ca(OH)
2
-
CH
Figura 6.2 - Difratograma da mistura SCB permeada por NaOH
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
277
0
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
sem perm.
perm por H
2
O
perm. H
2
SO
4
perm. por NaOH
x
x
x
- SiO
2
– quartzo; - Al
2
Si
,
O
5
(OH)
4
– caulinita - CaSO
4
.2H
2
O (CSH
2
)
- Ca
2
SiO
4
(C
2
S) - Ca
3
SiO
5
(C
3
S)
x
-
Ca(OH)
2
-
CH
Figura 6.3 - Difratograma da mistura SCB permeada por H
2
O, H
2
SO
4
e NaOH
Cabe ainda registrar que, na análise por difração de raios-x das amostras SCB foi possível
identificar a fase CSH
2
. Esta constatação permite assegurar que, a mistura ensaiada tinha
baixo nível de resistência mecânica. Os resultados de resistência à compressão não confinada
apresentados no item 4.1.2.1 confirmam esta constatação.
6.1.2 Análise por Microscopia de Varredura e EDS
Foram observadas as porções: inferior, média e superior de amostras retiradas do cilindro
(pertencente ao permeâmetro de parede rígida) após o final do ensaio como descrito no item
3.1.4.1.
Nas Figuras 6.4 e 6.5 são apresentados os resultados obtidos a partir de amostras de mistura
tipo SCB sem percolação e percolada por água destilada, a dois níveis de ampliação.
Comparando as duas Figuras citadas nota-se que há um maior volume de vazios (pontos
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
278
escuros das Figuras 6.4b e 6.5b) na amostra percolada por H
2
O (Figura 6.5b). Na Figura 6.5c
ocorrem agregações que sugerem a presença de cristais fibrosos pequenos de silicato de cálcio
hidratado, visto que ao verificar os resultados de difração de outro fragmento da mesma
amostra (Figura 6.1) esta fase foi encontrada.
(a) (b)
Figura 6.4 – SEM - Mistura do tipo SCB sem percolação.
a) ampliada 400 vezes; c) ampliada 3000 vezes.
(a) (b)
(c)
Figura 6.5 – SEM - Mistura do tipo SCB permeada por H
2
O. a) porção
superior ampliada 600 vezes; b) porção superior ampliada 3000 vezes;
c) porção inferior ampliada 15000 vezes.
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
279
No que se refere à amostra da mistura SCB percolada por NaOH, a mesma foi dividida em 3
partes como consta no item 3.1.4.1. A Figura 6.6 apresenta na letra “
a
” a microscopia da
amostra localizada junto à pedra porosa, na letra “
b
”, a da amostra localizada na base do
cilindro e na letra “
c
” a da fração superior da amostra, todas num mesmo nível de ampliação
(400 vezes).
(a) (b)
(c)
Figura 6.6 – SEM - Mistura do tipo SCB permeada por NaOH
ampliada 400 vezes- a)amostra localizada junto à pedra porosa;
b)amostra localizada na base do cilindro; c)amostra localizada na
parte superior do cilindro.
A Figura 6.7 mostra na letra “
a
” a fração inferior ampliada 3000 vezes e na “
b
” a porção
localizada junto à pedra porosa no mesmo nível de ampliação. Nestas duas imagens é
perceptível a relativa fragmentação dos materiais principalmente ns letra “
b
”, onde as
matérias-primas reduziram-se a uma “massa”, percebem-se sinais da hidratação do cimento
através das “agulhas” presentes na Figura 6.7b, as quais podem ser comparadas com as
apresentadas na Figura 6.14 que mostra esquematicamente como se desenvolve a hidratação
do cimento. Verifica-se que, como se previa, dependendo da localização da mistura SCB no
interior do cilindro, a morfologia da mesma difere (ver Figura 6.7).
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
280
(a) (b)
Figura 6.7 – SEM - Mistura do tipo SCB permeada por NaOH
ampliada 3000 vezes- a)porção inferior; b)amostra localizada junto a
pedra porosa.
Na Figura 6.9 são apresentados os resultados obtidos na investigação das porções da mistura
tipo SCB percoladas por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
). Na letra “
a
” é apresentada a microscopia
eletrônica da porção inferior, na letra “
b
”, a porção superior e na letra “
c
”, a porção
intermediária, sendo as 3 ampliadas 400 vezes. Níveis maiores de ampliação são mostrados na
Figura 6.10, nas letras “
a
” e “
b
”, a porção inferior, na letra “
c
” a porção superior e na letra
“
d
”, a camada intermediária (mostrada na Figura 6.8), todas as imagens no mesmo nível de
ampliação, ou seja, 3000 vezes. Na letra “
a
” pode-se visualizar a fração silte do solo
totalmente corroída pelo ácido e um grande número de vazios, ocorrendo o mesmo na letra
“
d
”. Nas letras “
b
” e “
c
” percebem-se partículas de bentonita, solo e cimento compondo um
material homogêneo onde os vazios não são perceptíveis.
Figura 6.8 - Porções da camada intermediária encontrada na mistura
tipo SCB pós-percolação por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
). a) partes do
cilindro moldado para ensaio de RCS; b) fragmento extraído da
amostra.
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
281
(a) (b)
(c)
Figura 6.9 – SEM - Mistura do tipo SCB percolada por H
2
SO
4
–
ampliação: 400 vezes - a)porção inferior; b) porção superior;
c)camada intermediária entre as porções.
Devido à necessidade de conhecer a constituição química das frações que diferiram na sua
estrutura e coloração em decorrência da percolação por ácido sulfúrico, julgou-se necessário
realizar a análise química elementar somente para este tipo de mistura SCB. A Tabela 6.1
apresenta os resultados da análise das porções mostradas nas Figuras 6.8, 6.9 e 6.10.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
282
(a) (b)
(c) (d)
Figura 6.10 – SEM - Mistura do tipo SCB, percolada por H
2
SO
4
–
ampliação: 3000 vezes - (a) porção inferior; (b) porção inferior; (c)
porção superior; (d) camada intermediária entre as porções.
Tabela 6.1 – Amostras de misturas do tipo SCB percoladas por ácido
sulfúrico – Resultados de EDS – Razão Fe/S, Mg/S, Al/S, Si/S, e Ca/S
RAZÃO
AMOSTRA
porção inferior
0,51 0,30 5,48 10,63 0,68
camada intermed. 0,30 0,00 1,76 1,29 1,35
porção superior
8,00
3,64
36,91
63,45
93,82
Fe/S Mg/S Al/S Si/S Ca/S
Percebe-se que, como se pensava o ácido sulfúrico não atingiu a porção superior da amostra
contida no cilindro (ver item 4.6.1) pois as razões determinadas apontam maior quantidade de
ferro (Fe), magnésio (Mg), alumínio(Al), silício (Si) e cálcio (Ca) na porção superior da
amostra, e que a camada intermediária apresenta grande teor de enxofre (S), permitindo
afirmar que, neste local é onde se concentra o enxofre provindo do ácido sulfúrico (H
2
SO
4
).
Julga-se ainda que esta ocorrência possa ter provocado a perda do magnésio (Mg) desta
camada, tendo sido provavelmente levado pelo lixiviado.
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
283
Por fim, pode-se afirmar que os resultados obtidos por microscopia eletrônica de varredura
foram de grande importância no estudo do comportamento das misturas SCB, pois permitiram
que se conhecesse a variação no arranjo micro-estrutural da mistura SCB, antes do ensaio de
condutividade hidráulica e também quando percolada por água, ácido sulfúrico e soda
cáustica.
6.1.3 Análise do Lixiviado
Foram analisadas amostras de dois tipos. As primeiras provenientes dos contaminantes (ácido
sulfúrico e soda cáustica) com concentração em massa igual a 5% (mesmo nível de diluição
em que eram colocadas no permeâmetro) e que foram consideradas como padrão de
comparação e as segundas coletadas após a percolação de ácido sulfúrico e soda cáustica em
misturas do tipo SCB contidas na célula do permeâmetro de parede rígida (lixiviado). As
proporções de solo, cimento e bentonita sódica da mistura utilizada são apresentadas na
Tabela 3.2 e o tipo de análise realizada consta no item 3.1.6.
A análise registrou a concentração em mg/l de enxofre(S), no caso do ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
), e em mg/l de sódio (Na) no caso da soda cáustica (NaOH) para que se pudesse
detectar o quanto a mistura tipo SCB estudada retém desses contaminantes. Os resultados são
apresentados na Tabela 6.2.
Tabela 6.2 – Resultado da análise do lixiviado de H
2
SO
4
e NaOH por
Espectrofotometria de Absorção Atômica
Tipo de Solução Resultado (mg/l)
Padrão H
2
SO
4
51.190,0
Lixiviado H
2
SO
4
9,2
Padrão NaOH 36.600,0
Lixiviado NaOH 28.200,0
Observando a Tabela pode-se afirmar que a mistura SCB é eficiente no que se refere à
retenção de enxofre (S) contido na solução de ácido sulfúrico, e é ineficiente no que se refere
à fixação do sódio (Na), visto que o retém muito pouco do teor contido na soda cáustica
utilizada.
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284
6.2 MISTURAS SB
6.2.1 Análise por Difratometria de Raios-x
Foram analisadas amostras das frações: inferior, média e superior da mistura que era colocada
no interior do cilindro do permeâmetro de parede rígida como consta no item 3.1.4.1. A
adoção desta metodologia visou definir através de uma análise conjunta dos resultados, se há
diferenciações mineralógicas ao longo da mistura conforme o maior ou menor contato com a
água ou com os contaminantes e quais as conseqüências deste fato.
Nas Figuras 6.11 e 6.12 encontram-se representados os resultados obtidos a partir de amostras
da mistura SB depois dos ensaios de condutividade hidráulica com percolação de soda
cáustica (NaOH) e de ácido sulfúrico (H
2
SO
4
). Observando as duas Figuras citadas, constata-
se que a porção inferior da amostra sofre os efeitos da contaminação em maior intensidade,
que o quartzo é a fase cristalina que menos sofre este efeito e que a caulinita tanto quanto o
quartzo é inerte aos contaminantes utilizados e que a hematita só foi encontrada na amostra
percolada por soda cáustica confirmando os resultados apresentados na análise das matérias-
primas (Figura 6.42).
Na Figura 6.13 tem-se um comparativo entre os resultados obtidos com as amostras da
mistura SB extraídas ao final dos ensaios em que foram percolados: água destilada, ácido
sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH). Ao analisar esta Figura pode-se assegurar a
alteração na constituição mineralógica da mistura SB permeada pelos contaminantes
utilizados. Este fato pode ser percebido através da alteração na intensidade dos picos, obtidos
por difração de raios-x.
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
285
0,0
4,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
Intensidade (CPS)
sem perm
perm H
2
O
porç inf
porç méd
porç sup
- SiO
2
– quartzo; - Al
2
Si
,
O
5
(OH)
4
– caulinita; -Fe
2
O
3
– hematita.
Figura 6.11 - Difratograma da mistura SB percolada por soda cáustica
(NaOH)
0
4
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
sem perm
perm H
2
O
porção sup
porção méd
porção inf
- SiO
2
– quartzo; - Al
2
Si
,
O
5
(OH)
4
– caulinita; -Fe
2
O
3
– hematita.
Figura 6.12 – Difratograma da mistura SB percolada por ácido
sulfúrico (H
2
SO
4
)
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
286
0,0
4,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2
θ
θθ
θ
Intensidade (CPS)
sem perm
perm por H
2
O
perm por H
2
SO
4
perm por NaOH
- SiO
2
– quartzo; - Al
2
Si
,
O
5
(OH)
4
– caulinita; -Fe
2
O
3
– hematita.
Figura 6.13 - Difratograma comparativo da mistura SB percolada por
H
2
O, NaOH e H
2
SO
4
6.2.2 Análise por Microscopia Eletrônica de Varredura
Para a análise por SEM, trabalhou-se com ampliações das imagens iguais a 400, 600 e 3000
vezes com a finalidade de perceber as diferenciações estruturais no que se refere ao volume de
vazios e arranjo das matérias-primas.
Na Figura 6.14, tem-se as micrografias obtidas a partir de amostras de mistura SB que foram
extraídas antes do ensaio de condutividade hidráulica, logo após o seu preparo. Nota-se na
letra “a” uma partícula de SRAB em meio à mistura solo/bentonita, conforme assinalado. Nas
maiores ampliações percebem-se a homogeneidade da mistura visto que não é possível
visualizar partículas distintas.
Nas demais Figuras, é possível verificar detalhes da microestrutura da mistura SB quando
percolada por água destilada (Figura 6.15), soda cáustica (Figura 6.16) ou ácido sulfúrico
(Figura 6.17), em diferentes níveis de ampliação.
Entre as observações que foram realizadas é importante mencionar que:
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
287
(a) na Figura 6.15 foi possível identificar o mineral caulinita (assinalado na
Figura);
(b) a soda cáustica fez com que a estrutura contendo solo e bentonita ficasse
totalmente fragmentada (se comparadas as Figuras 6.15b e 6.16b), pode-se afirmar
e que,
(c) pode-se acreditar que, a partir de um determinado tempo de ensaio sob
percolação de soda cáustica, o lixiviado deve levar consigo partículas da mistura
vista a desagregação propiciada por este segundo os resultados obtidos nos ensaios
de condutividade hidráulica com a mistura SB (Figuras 4.18 e 4.19) arrisca-se a
dizer que contaminante.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 6.14 – SEM - Mistura do tipo SB sem permeação. a) ampliada
400 vezes; b) ampliada 400 vezes; c) d) ampliadas 3000 vezes.
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288
(a) (b)
Figura 6.15 – SEM - Mistura do tipo SB percolada por água destilada
(H
2
O). a) ampliada 600 vezes; b) 3000 vezes.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 6.16 – SEM - Mistura do tipo SB percolada por soda cáustica
(NaOH); a) fração inferior ampliada 600 vezes; b) fração inferior
ampliada 3000 vezes; c) fração média ampliada 600 vezes; d) fração
média ampliada 3000 vezes.
Na Figura 6.17e visualizam-se agregações de partículas e grandes vazios (zonas em preto) que
podem justificar os resultados obtidos nos ensaios de condutividade hidráulica, nos quais o
ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) foi percolado, nos mesmos em poucas horas obteve-se de um
coeficiente de condutividade hidráulica (k) altíssimo, parecendo que o líquido estava
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
289
passando por uma superfície porosa. Esta imagem juntamente com o que consta no item 5.2.3,
onde é mencionado que os cátions (no caso o H
+
do ácido sulfúrico) servem como ligas para
agregar as placas dos argilominerais e que dependendo de sua valência, podem reduzir a
viscosidade, justificam o comportamento hidráulico da mistura SB sob percolação deste
contaminante.
(a) (b)
(c)
(d) (e)
Figura 6.17 – SEM - Mistura do tipo SB percolada por ácido sulfúrico
a) fração inferior ampliada 400 vezes; b) fração inferior ampliada 600
vezes; b) fração inferior ampliada 3000 vezes; c) fração média
ampliada 400 vezes; d) fração média ampliada 3000 vezes;
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
290
Por fim, comparando os resultados obtidos através das Figuras 6.15, 6.16 e 6.17, nota-se
volume de vazios em diferentes proporções (o volume de vazios é perceptível pelas zonas
mais escuras), uma desestruturação da mistura quando percolada por ácido sulfúrico (Figura
6.17) mostrando partículas de arenito decompostas e o aspecto de uma “massa” na mistura
permeada por soda cáustica (Figura 6.16d).
Em suma, as imagens são totalmente diversas, evidenciando a ocorrência de alterações
microestruturais que influíram no desempenho das misturas mediante percolação.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÃO
A realização deste trabalho de pesquisa teve por fim avaliar a viabilidade da utilização de
barreiras hidráulicas verticais, compostas de bentonita sódica, cimento e solo local (do Rio
Grande do Sul – Brasil), para impedir a contaminação do lençol freático e o
comprometimento das estruturas de fundação situadas em solos que venham ser
contaminados.
Através de uma metodologia, que aliou ensaios e literatura científica das áreas de engenharia
dos solos e química, foi possível conhecer e explicar os fenômenos ocorridos em
conseqüência da contaminação dos novos materiais geotécnicos - as mistura contendo solo
Residual de arenito Botucatu e bentonita sódica (mistura SB) ou cimento, solo e bentonita
(mistura SCB).
Efetivou-se o estudo do comportamento físico, hidráulico e mecânico de solos contaminados
(arenito e bentonita) por substâncias agressivas, através de simulações com substâncias
tipicamente alcalinas (de alto pH) e outras, ácidas (de baixo pH). A partir da construção de
um aparelho para este fim, o permeâmetro de parede rígida, foi possível conhecer as
propriedades hidráulicas dessas misturas, e na seqüência, a partir de amostras contaminadas,
as propriedades mecânicas e químicas. Foi possível ainda, conhecer microscopicamente suas
estruturas.
Neste capítulo é apresentada a síntese do conhecimento científico construído acerca do
comportamento hidráulico, mecânico e químico das misturas tipo SB e SCB, para serem
utilizadas como material de preenchimento (backfill) no uso da tecnologia de construção de
barreiras de contenção, na situação de contaminação por ácido sulfúrico ou soda cáustica na
concentração (em massa) igual a 5%.
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
292
7.1 PROPRIEDADES HIDRÁULICAS E MECÂNICAS DAS MISTURAS DO
TIPO SCB E SB
Analisando os resultados obtidos a partir das mistura tipo SCB e SB, constatou-se que:
a) não há grande variação no valor da porosidade (n) para as misturas do tipo SCB e
SB, quando o líquido percolante é água;
b)
o índice de vazios tem valor pouco maior nas misturas do tipo SCB, o que
pode ser explicado pela presença do cimento na mistura, agregado a um alto
Fator a/c, igual a 4. Conforme consta no item 2.2.3, o cimento Portland quando
adicionado à mistura altera as propriedades químicas da bentonita. A mesma é
afetada na sua capacidade de inchamento e retenção de água (Koch & Phillips,
2002). Além disso, o cimento Portland requer mais água na mistura de solo-
bentonita para que se consiga atingir o
slump adequado para o material ser
lançado para dentro da escavação (Ryan & Day, 2002) durante a execução de
barreiras hidráulicas verticais. Com a introdução de mais água, a densidade do
material será menor, mais poros no material de preenchimento serão formados,
conseqüentemente, maior será a condutividade hidráulica da barreira de
contenção;
c)
comparando os gráficos - Condutividade hidráulica (k) x Tempo – das misturas do
tipo SCB, obtidos pela percolação de água em misturas realizadas manual e
mecanicamente, comprovou ser a mistura mecânica responsável pela obtenção de
melhores resultados. Acredita-se que maior homogeneidade na mistura,
caracterizada pela igual distribuição da bentonita na amostra, gerou a redução do
volume de vazios e conseqüentemente um coeficiente de condutividade hidráulica
menor. Constatou-se, através da determinação do limite de liquidez, que a
bentonita sódica utilizada tem a propriedade de absorver grande quantidade de
água, aumentando seu volume. Assim que, sua distribuição homogênea ao longo
da amostra permitiu que os espaços preenchidos por água, no início do ensaio,
fossem ocupados pela bentonita durante o seu inchamento impedindo o
surgimento caminhos preferenciais para o líquido percolado;
d)
os lixiviados resultantes da percolação por água destilada, ácido sulfúrico ou soda
cáustica, extraídos de misturas contendo 12% de bentonita sódica, 63% de solo
arenito Botucatu e 25% de cimento, alcançaram em todas situações valores de pH
superiores a 11 comprovando que a alcalinidade gerada pela presença do cimento
não foi atingida;
e) a mistura SCB é adequada à utilização como barreira hidráulica vertical
quando o contaminante for ácido sulfúrico. Sua eficiência foi comprovada
através da realização dos ensaios no permeâmetro de parede rígida, por um
período de tempo igual há 20 semanas, período no qual o valor de k somente
diminuiu. Acredita-se que, na prática, a mistura é ainda mais eficiente do que
se mostrou nos ensaios de laboratório visto que, Pereira et. al. (2006), como
citado no item 2.3.5, em sua pesquisa ao comparar os resultados de
condutividade hidráulica saturada, determinada em laboratório e em campo,
utilizando, no laboratório, o permeâmetro de parede rígida com carga constante
(como neste estudo) constatou larga discrepância entre os valores de
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
293
condutividade hidráulica obtidos pelos dois métodos, tendo o método de
laboratório proporcionado, para todas profundidades, os maiores valores;
f)
partindo dos resultados obtidos nos ensaios de condutividade hidráulica,
apresentado na Figura 4.3 e Tabela 4.1, a mistura do tipo SCB é inadequada
para utilização como material de preenchimento em barreiras hidráulicas
verticais, quando o contaminante for soda cáustica em concentração maior ou
igual a 5%. Da mesma forma, vista a Figura 4.21, contata-se que a mistura SB
não pode ser utilizada se o contaminante for ácido sulfúrico na concentração já
citada. Esta avaliação tem base no que é apresentado no item 2.2.3 onde consta
que, uma barreira típica de solo-cimento-bentonita apresenta normalmente uma
condutividade hidráulica de 10
-8
m/s e de solo-bentonita 10
-9
m/s (Mutch et.
al., 1997);
g)
a mistura SB em barreiras hidráulicas verticais pode ser utilizada por um
pequeno espaço de tempo (no máximo 4 dias), como solução emergencial,
quando o contaminante for soda cáustica (NaOH), em concentrações inferiores
ou iguais a 5%, visto que com o decorrer do tempo, a bentonita sódica
desidrata e conseqüentemente a condutividade hidráulica se amplia pelo
aumento do volume de vazios;
h)
a RCS das misturas SCB variaram de acordo com o líquido percolante e no
caso de permeação por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
), obteve-se uma tensão de
compressão menor na camada atingida pelo ácido sulfúrico (camada escura),
em torno de 70 kN/m
2
e na camada nao atingida pelo H
2
SO
4
(camada clara),
obteve-se um valor medio em torno de 400 kN/m
2
. Estes resultados
demonstram que as reações químicas que ocorreram entre o ácido sulfúrico e o
solo (SRAB-bentonita) cimentado resultaram na degradação da resistência da
mistura, quando comparado com o valor obtido da mistura percolada somente
com agua (415 kN/m
2
). A mistura percolada por soda cáustica (NaOH) nao
teve uma grande variacao da resistência, uma vez que a RCS obtida foi de 515
kN/m
2
, pouco superior a amostra percolada somente com água;
i)
no que se refere às informações obtidas através dos ensaios de adensamento
pode-se afirmar que, dependendo do líquido percolante, a mistura tipo SCB
desenvolveu comportamento diferenciado gerando volume de vazios maiores
quando percolado pela água destilada, comportamento esperado no processo de
hidratação do cimento, principalmente, devido alto fator água-cimento, (ver
item 2.4.1.5) e menores quando percolado por ácido sulfúrico em condições de
total contaminação, o que pode ser confirmado pelos resultados apresentados
na Tabela 6.2, na qual os valores das razões relativas a porção inferior são
menores que da superior devido a maior quantidade de enxofre (S) registrada.
Os índices determinados ao final de cada ensaio: coeficiente de adensamento
(Cv), índice de compressão (Cc), índice de descarregamento (Cd), das
diferentes amostras investigadas, indicaram, a partir dos valores de Cv, que os
maiores recalques seriam produzidos nas misturas SCB, percoladas por ácido
sulfúrico, totalmente contaminadas, comprovando a fragilidade da mistura sob
solicitação de esforços verticais, confirmando os resultados obtidos nos ensaios
de RCS. Através dos resultados de Cc foi possível deduzir que a
desestruturação da mistura sob tensão ocorre em maior velocidade nas misturas
SCB contaminadas por ácido sulfúrico. Segundo Neville (1997), o ataque do
ácido progride a uma velocidade aproximadamente proporcional à raiz
__________________________________________________________________________________________
Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
294
quadrada do tempo, pois a substância agressiva deve atravessar a camada
residual de produtos (camada intermediária da mistura SCB – ver Figura 6.8)
de baixa solubilidade remanescentes depois da dissolução do Ca(OH)
2
.Os
valores de Cd indicam que a mistura percolada por água destilada sofre menos
o efeito do descarregamento das tensões, provavelmente por já ter expulsado
toda água de seus poros no último incremento de tensão do ensaio e a mistura
encontrar-se no estado plástico, não ocorrendo o mesmo com a mistura
percolada por H
2
SO
4
, o que confere a última, instabilidade frente as
solicitações.
j) os resultados obtidos a partir da realização dos ensaios de condutividade
hidráulica, resistência à compressão não confinada e adensamento de misturas do
tipo SCB contaminados por ácido sulfúrico podem explicados por Neville (1997).
O ácido sulfúrico é particularmente agressivo porque além do ataque da mistura
SCB pelo sulfato à fase aluminato da pasta, ocorre também o ataque por ácido ao
Ca(OH)
2
e ao C-S-H. Portanto é benéfica a redução do teor de cimento, desde que,
naturalmente não seja prejudicada a rigidez da mistura quando o contaminante for
ácido sulfúrico.
7.2 ANALOGIA ENTRE AS PROPRIEDADES QUÍMICAS
DETERMINADAS E O COMPORTAMENTO HIDRÁULICO E
MECÂNICO DAS MISTURAS SCB E SB
Partindo do conhecimento das propriedades físico-químicas das matérias-primas apresentadas
no capítulo 5 e das misturas, apresentadas no capítulo 6, são relacionados os resultados
obtidos com a finalidade de explicar o comportamento hidráulico desses materiais, quando
percolados por água ou pelas substâncias agressivas investigadas.
Através dos resultados obtidos nos ensaios de monitoramento da temperatura de reação de
hidratação do cimento (item 5.1.1), de verificação do desenvolvimento das reações de
hidratação (item 5.1.2) e análise química elementar, evidenciou-se que, o teor de umidade, o
fator água/cimento, bem como o líquido misturado ao cimento, produzem diferentes efeitos.
São eles:
a) o cimento CP V ARI ao ser contaminado por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) na
concentração 5% ou soda cáustica na mesma concentração, tem sua constituição
alterada, perdendo parte dos minerais. Os resultados de análise química
quantitativa por EDS apresentados na Tabela 5.4 comprovaram esta afirmação.
Minerais, que antes da contaminação, incluíam na sua composição química:
magnésio (Mg), alumínio (Al), ferro (Fe), sódio (Na) ou potássio (K) sofreram
alterações visto que, em algumas amostras analisadas, não foram identificados;
__________________________________________________________________________________________
Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
295
b) constatou-se que a adição do solo e bentonita sódica ao cimento retardam a reação
de hidratação. Estes efeitos puderam ser visualizados através das imagens de
microscopia eletrônica de varredura (item 5.1.3), onde é notória a diferenciação no
volume de vazios conforme a relação água/cimento utilizado e a fase
cristalográfica, a etringita (C
6
ASH
32
), que aparece em estruturas de baixa
resistência mecânica foi visualizada;
c)
na análise por difração de raios-x de amostras, de mesma idade, das misturas
tipo SCB contaminadas por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH),
detectou-se na primeira, a fase C
4
(A,F), característica da fase final da
hidratação. Este fato permitiu constatar que na mistura contaminada por
H
2
SO
4
, a reação de hidratação ocorreu em maior velocidade. Esta afirmação é
corroborada pela determinação do nível de reatividade do cimento, fornecida
índice de inibição. Os índices obtidos para as amostras contaminadas por ácido
sulfúrico e soda cáustica (ver item 4.1.1) que comprovaram ser o ácido
sulfúrico menos inibitório do que a soda cáustica;
d) A partir dos resultados de difração de raios-x e dos ensaios de monitoramento
da reação de hidratação do cimento percebeu-se que, embora a mistura SCB
portasse velocidade inicial de hidratação baixa (ver Figura 4.1 e Tabela 4.2)
devido ao alto valor da relação água/cimento e a presença de agregados (solo e
bentonita sódica), este fato pode ter auxiliado no ganho de resistência do
material no decorrer do tempo, garantindo a manutenção do novo material ao
ser percolado por ácido sulfúrico e soda cáustica. Pois a mistura sob
percolação de soda cáustica, embora não tenha alcançado valor para k
adequado a utilização em barreiras hidráulicas verticais (menor de 10
-8
m/s)
resistiu a percolação desse contaminante.
Essas observações e, também o que consta no item 2.4.1.1, sugerem o estudo de uma mistura
com uma relação água/cimento menor do que quatro a fim de proporcionar um material ainda
mais eficiente.
Na investigação do solo e da bentonita sódica utilizada sob hidratação ou contaminação, a
partir dos resultados de medição de pH, variação granulométrica, difração de raios-x, análise
química elementar e microscopia eletrônica de transmissão e de varredura, tornou-se possível
afirmar, a partir das observações que:
a)
comparando os diâmetros obtidos pelo uso do Coulter, percebeu-se que o ácido
sulfúrico e a soda cáustica, numa concentração igual a 5%, interferem na
granulometria da bentonita nos 7 primeiros dias de contaminação. Este fato
explica os resultados obtidos nos ensaios de condutividade hidráulica para as
misturas SB e SCB, onde se conclui que os valores obtidos para k ao longo do
tempo são, também, conseqüências do comportamento químico da bentonita
frente aos contaminantes, considerando que sua variação granulométrica
interferiu no volume de vazios das amostras percoladas;
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
296
b) através dos ensaios de reologia obtiveram-se as Figuras 5.60 e 5.61, que
apresentam o comportamento da bentonita quando misturada a ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
) ou soda cáustica (NaOH). Percebeu-se que, no sexto dia após a
hidratação, nas duas situações, o fluido assumiu comportamento newtoniano,
sendo a situação da amostra, que continha ácido sulfúrico (H
2
SO
4
), pior, visto
que observando a Figura 5.60 é perceptível a total desestruturação das
partículas desde o primeiro dia de contaminação e a constância desta situação
até o sétimo dia. Esta ocorrência é confirmada pelo coeficiente de viscosidade
dinâmica (
η) que não variou entre o sexto e o décimo segundo dia (Figura
5.61) indicando que não há variação na viscosidade do material. Conclui-se, a
partir desses ensaios que, a bentonita sódica utilizada tem comportamento mais
estável ao ser misturada com soda cáustica (NaOH). Sob contaminação por
ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) a mesma aumenta de volume e depois se retrai. O
comportamento observado explica o que ocorre com a mistura SB quando
percolada por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
), pois em poucas horas ocorre a redução
em termos de eficiência da mistura, quando o valor de k se eleva rapidamente
(ver item 4.2.1). Tal comportamento pode ser explicado pela desintegração da
microestrutura que existia devido ao encolhimento da bentonita, no momento
em que a água destilada (H
2
O) foi substituída pelo ácido sulfúrico (H
2
SO
4
);
c)
A bentonita ao ser contaminada por soda cáustica, na concentração igual a 5%,
assume pH e volume definitivo já no primeiro dia de contaminação. O mesmo
não ocorre, em termos de volume, quando este material é contaminado por
ácido sulfúrico na mesma concentração, neste caso, a bentonita aumenta de
volume e retrai-se no momento seguinte. Este fato pode ser comprovado pelos
resultados obtidos através do Coulter e pela medição de pH por 7 dias e
explicar o que ocorreu com a mistura tipo SB sob percolação do ácido. O
aumento de volume da bentonita seguido de uma retração provocou fissuras e
conseqüentemente o aumento da condutividade hidráulica. Este
comportamento pode resultar do contato da bentonita com líquidos com alta
concentração de eletrólitos ou alta valência de cátions (Gleason et. al., 1997);
d)
Os resultados obtidos através na análise química elementar de porções de
bentonita hidratadas e contaminadas por ácido sulfúrico e soda cáustica
comprovaram que a redução de volume citada no item anterior ocorre devido
ao ataque químico dos contaminantes (ver Tabela 5.7). Na bentonita sódica,
contaminada por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) não foram detectados: magnésio
(Mg), cálcio (Ca) e Titânio (Ti) e o teor dos demais elementos foi reduzido,
porém o enxofre(S) foi encontrado, o que permite crer que a bentonita sódica
tem a propriedade de adsorver o enxofre do ácido sulfúrico. Quando
contaminada por soda cáustica (NaOH) não foram encontrados: magnésio
(Mg), cálcio (Ca) e titânio (Ti) e o sódio (Na) foi detectado em maior
proporção;
e)
A partir dos resultados de microscopia eletrônica de transmissão e análise
química elementar por EDS pode-se afirmar que, a contaminação da bentonita
sódica por ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) e soda cáustica (NaOH) gera partículas de
conformação e constituição química diferenciadas;
f) Os resultados de difração de raios-x da bentonita in natura e hidratada
confirmaram que, a hidratação da bentonita sódica com água destilada não faz
variar sua constituição mineralógica, uma das metas da pesquisa, que era:
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
297
conhecer o efeito da contaminação pelas substâncias agressivas estudadas nos
novos materiais geotécnicos propostos (misturas SB e SCB) sem alterar a
mineralogia da bentonita devido à hidratação;
g) Pelos resultados de Microscopia Eletrônica de Varredura foi possível perceber
que a força de atração entre as partículas de bentonita é acentuada quando a ela
é adicionada água destilada ou soda cáustica. Este resultado junto ao que
consta na letra d, permite que se conclua que, o que faz com que os ensaios de
condutividade hidráulica onde são percolados ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) ou soda
cáustica (NaOH) na mistura tipo SB ocorram em um minúsculo ou curto
período de tempo, é a perda dos minerais contidos na bentonita sódica e no
solo durante a percolação, que aumenta o volume de vazios no decorrer do
tempo até a total desestruturação da mistura;
h) As misturas tipo SB e SCB ao serem percoladas pelos contaminantes
estudados, perdem uma pequena parte dos minerais contidos nas frações
granulométricas do solo, sendo o ácido sulfúrico o mais agressivo. Constatou-
se este evento ao analisar os resultados de Difração de raios-x e análise térmica
quantitativa por EDS. Notou-se que, quando percoladas pelo mesmo, as
frações do solo, silte e areia, reduziram, em pequenas proporções, a fase
mineralógica quartzo e na fração argilosa se formaram outros minerais;
i) O solo residual de arenito Botucatu, apresenta nas frações analisadas, argila,
silte, e areia, partículas de morfologia e constituição química diferenciadas. O
que pode ser comprovado pelos resultados de microscopia eletrônica de
varredura e análise química elementar;
j)
A fração silte e areia têm a propriedade de adsorver parte dos contaminantes
utilizados, o que pode ser percebido pelos dos resultados obtidos;
k) Partindo do que consta nas letras d, i e j, podemos concluir, que os resultados
obtidos nos ensaios de condutividade hidráulica nas misturas que continham
solo e bentonita (SB) ocorreram, principalmente, em decorrência da
compatibilidade entre os contaminantes e a bentonita sódica utilizada, que
gerou reações químicas diversas e que, o SRAB foi pouco atingido pelos
contaminantes visto que as frações silte e arenosa, existentes em maior
proporção foram pouco atingidas;
l)
O solo utilizado (solo residual arenito Botucatu), para compor o material de
preenchimento composto de solo-cimento-bentonita, também é responsável
pelo bom desempenho da mistura mediante percolação de ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
) vistas as propriedades físicas e químicas apresentadas pelo mesmo.
Segundo Aguiar (2001), a composição mineralógica, o tamanho e a
distribuição das partículas do solo são fatores que influenciam a condutividade
hidráulica do solo. Outro fator importante de influência na velocidade de
percolação dos fluídos no solo é a presença de matéria orgânica. Sua presença
pode diminuir a condutividade hidráulica do solo, quando encontrada em
quantidades menores e totalmente decomposta, ou pode aumentá-la quando
encontrada em grande quantidade no solo e pouco decomposta. O teor de
matéria orgânica do solo utilizado é nulo (Tabela 3.13). O teor de finos
apresentado pelo mesmo também influencia na condutividade hidráulica das
barreiras hidráulicas. Para Andromalos
et. al. (2001), como consta no item
2.2.3, a aplicação de finos pode ter efeito benéfico sob a barreira de solo-
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
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cimento-bentonita. Segundo os autores, um mínimo de 10% de finos plásticos
é recomendado para uma boa proporcionalidade da mistura SCB. O SRAB tem
esta propriedade (ver item 3.2.3).
Nas análises por difração de raios-x, microscopia de varredura e EDS das amostras contendo
SRAB, cimento CPV ARI e bentonita sódica (tipo SCB) e, com SRAB e bentonita sódica
(tipo SB), somente, foram feitas as observações a seguir:
a) Como se previa, dependendo da localização da mistura SCB no interior do
cilindro, a micro-estrutura e constituição química da mesma diferem; Analisando a
Figura 6.11 onde são apresentadas 3 amostras da mistura SB contaminadas por
H
2
SO
4
, foi possível constatar que a porção inferior da amostra sofre os efeitos da
contaminação em maior intensidade;
b)
Segundo os resultados das análises por difração de raios-x, a mistura tipo SCB ao
ser percolada por ácido sulfúrico sofre alterações em sua estrutura cristalina de
maior magnitude do que quando percolada por soda cáustica (ver Figura 6.3) ou
água destilada;
c) Comprovou-se, através da difração de raios-x, que as misturas do tipo SCB
apresentam baixa resistência mecânica a partir da identificação, nas amostras, da
fase cristalina C-S-H
2
(sulfato de cálcio dihidratado), o que ocorreu de fato na
realização dos ensaios de resistência à compressão não confinada, cujos resultados
são apresentados no item 4.1.2.1;
d) O ataque químico do ácido sulfúrico, na concentração de 5%, à mistura SCB
estudada, ocorre de forma progressiva e lenta. Esta afirmação pode ser
comprovada pelos resultados obtidos através das análises por difratometria de
raios-x e por EDS, nos quais, ao analisar as porções inferior, intermediária e
superior da amostra retirada do permeâmetro de parede rígida, foram encontrados
teores distintos de ferro (Fe), magnésio (Mg), alumínio (Al), silício (Si) e cálcio
(Ca) nessas camadas e, as fases cristalinas C-H e C-S-H
2
, características de
cimentos que ainda não alcançaram valores consideráveis de resistência mecânica,
apareceram na porção intermediária, mas não foram detectadas na porção
superior;
e) O fato percebido na letra d permite concluir que ao final dos ensaios de
condutividade hidráulica, a camada superior das misturas SCB foi pouco atingida
pelo ácido. Acredita-se que os sulfatos do ácido ficaram retidos na camada
intermediária (ver Figuras 6.1, 6.8 e Tabela 6.2) vista a redução de minerais e o
teor de enxofre (s) nesta camada;
f) Acredita-se também que, ao final do ensaio, as reações químicas na mistura SCB
ainda desenvolviam, propiciando a esta camada chegar a níveis maiores de
resistência mecânica à compressão simples, comprovado pelo que conta na Tabela
4.2 (fração clara).
g)
A caulinita e o quartzo, fases cristalinas pertencentes ao solo e encontradas em
pequena proporção na bentonita sódica foram detectados na análise de amostras
da mistura tipo SB, percoladas (no ensaio de condutividade hidráulica) por ácido
sulfúrico, porém a hematita (fase cristalina do solo) foi detectada apenas nas
misturas percoladas por soda cáustica;
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
299
h) A soda cáustica faz com que a microestrutura da mistura SB se fragmente no
decorrer do tempo fazendo com que, no final do ensaio, o volume de vazios seja
tal que a soda cáustica passe livremente através da mistura. Comprovação deste
fato são as Figuras 4.19, 4.20, 6.11 e 6.16, corroborado pelo que é descrito por
Favaretti & Previatello (1994), item 2.2.3, no qual é citado que, a dissolução de
minerais do solo pode ocorrer em pHs altos, reduzindo o teor de sílica tetraédrica
e, os permeantes ácidos podem causar a dissolução da camada tetraédrica;
A determinação das propriedades químicas de um solo local (solo residual de arenito
Botucatu), da bentonita sódica brasileira e do cimento portland de alta resistência inicial e das
misturas entre estes materiais, segundo a metodologia adotada, forneceu inúmeras
informações.
Este conhecimento facilitou a explicação das propriedades hidráulicas e mecânicas
investigadas, de misturas experimentalmente determinadas, para utilização como material de
preenchimento nas barreiras hidráulicas verticais.
Tornou-se possível conhecer o comportamento das misturas estudadas sob percolação de
substâncias de pHs extremos, no caso, ácido sulfúrico (baixo pH) ou soda cáustica (alto pH)
em concentração igual a 5% e visualizar as microestruturas originadas.
Em suma, este trabalho poderá auxiliar em investigações nas áreas de engenharia geotécnica e
ambiental tanto no que se refere à metodologia de pesquisa adotada quanto aos dados
científicos geradas.
7.4 CONCLUSÃO
Enfim, a partir da realização deste trabalho é possível afirmar que a mistura contendo 12% de
bentonita sódica, 63% de solo residual arenito Botucatu e 25% de cimento CP V ARI
conforme as especificações constitui uma solução técnica viável para utilização em barreiras
de contenção em que o contaminante seja ácido sulfúrico em concentração igual ou inferior a
5%, em massa por um período de tempo mínimo de 20 semanas.
Este mesmo tipo de mistura é impróprio ao uso especificado, no caso do contaminante ser a
soda cáustica na mesma concentração ou, na situação em que a mistura seja composta por
88% de solo residual arenito Botucatu e 12% de bentonita sódica, somente, percolada por
soda cáustica ou ácido sulfúrico em concentração igual ou superior a 5%, em massa.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
300
O permeâmetro de parede rígida projetado, no laboratório ENVIRONGEO mostrou-se
eficiente no estudo de misturas para utilização como backfill de barreiras impermeabilizantes,
visto que não ocorreram vazamentos, mesmo trabalhando com líquidos corrosivos. A partir
dos resultados obtidos, mediante a metodologia de ensaio adotada, não houve a passagem de
líquidos pela interface mistura/parede do cilindro e, os valores encontrados de k para as
misturas SB encontram-se na faixa de valores encontrados na literatura.
7.4 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Devido ao fato de ter sido realizado um pequeno número de ensaios de resistência a
compressão simples com amostras SCB contaminadas por ácido sulfúrico, recomenda-se
também a realização de repetições de ensaios de condutividade por no mínimo 20 semanas
cada um para que, ao extrair a amostra da mistura contaminada, possa-se perceber se os
valores observados para resistência a compressão simples se repetirão.
Para realização de trabalhos futuros, propõem-se utilizar a bentonita cálcica para compor a
mistura tipo SB a fim de conhecer seu comportamento hidráulico mediante percolação por
soda cáustica (ou hidróxido de sódio – NaOH) e ácido sulfúrico nas mesmas concentrações.
Justifica-se esta sugestão pelo que consta no item 2.4.3.3, no qual é apresentada investigação
de Pavilonski (1985), em que foram analisadas as variações do coeficiente de condutividade
hidráulica de diferentes solos submetidos à percolação de diferentes solutos, entre eles
hidróxido de sódio a diferentes concentrações. Para uma argila caulinítica, ensaiada com
NaOH, ele achou uma queda da condutividade hidráulica para uma concentração de 4%. E
também pelo fato da mistura composta por solo, cimento e bentonita sódica estudada (tipo
SCB), ter sido avaliada como própria para utilização, devido às reações químicas que se
efetivaram pela presença do cálcio presente no cimento. Estas reações químicas fizeram com
que ocorresse uma redução no volume de vazios e conseqüentemente, valores baixos de
condutividade hidráulica (menores do que 10
-8
m/s).
Sabendo-se que o limite de liquidez da bentonita cálcica é menor do que o da bentonita sódica
recomenda-se utilizar teores de umidade menores.
A fim de obter melhores resultados do que foi registrado neste Trabalho de Pesquisa, relativos
à resistência a compressão simples para mistura tipo SCB, sugere-se acrescentar na mistura
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Estudo do comportamento hidráulico, mecânico e químico, de barreiras hidráulicas verticais compostas por solo
residual, bentonita e cimento sob ação de substâncias agressivas.
301
fibras geotécnicas inertes a ação do ácido sulfúrico. Além disso, partindo do que consta na
letra “j” do item 7.1, recomenda-se trabalhar com teores menores de cimento a fim de que as
misturas sob percolação de ácido sulfúrico possam suportar o ataque do ácido por períodos
ainda maiores de tempo.
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Rosemar Gomes Lemos. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006.
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