Estudo do Emprego de Solo-Bentonita como Barreira Impermeabilizante em Aterros Sanitários

Transcrição

1 Estudo do Emprego de Solo-Bentonita como Barreira Impermeabilizante em Aterros Sanitários Lukiantchuki, J.A. Universidade de São Paulo, São Carlos, São Paulo, Brasil, Esquivel, E.R. Universidade de São Paulo, São Carlos, São Paulo, Brasil, RESUMO: Bentonita (pura ou misturada com solo natural) vem sendo amplamente empregada na forma de barreira impermeabilizante em aterros sanitários, para minimizar o fluxo de líquidos contaminados. A quantidade de bentonita utilizada tem grande importância na redução da condutividade hidráulica destas barreiras. Neste trabalho, será apresentado uma revisão bibliográfica e as análises que vem sendo realizadas do uso potencial da bentonita como barreira impermeabilizante, em termos de condutividade hidráulica e resistência ao cisalhamento. Até o presente momento, foram realizados os ensaios da primeira etapa (caracterização do solo e das misturas), sendo que a segunda etapa de ensaios encontra-se em fase inicial (condutividade hidráulica e resistência ao cisalhamento). Para tanto, está sendo utilizado um solo arenoso, proveniente da região de Pindorama (SP), que será misturado com bentonita em quantidade de 3, 4 e 5 %, e posteriormente confeccionados corpos de prova para os ensaios que serão realizados. A condutividade hidráulica será avaliada através de ensaios com permeâmetros de parede flexível, e a resistência ao cisalhamento através de ensaios triaxiais. PALAVRAS-CHAVE: Barreiras Impermeabilizantes, Bentonita, Condutividade Hidráulica, Resistência ao Cisalhamento. 1 INTRODUÇÃO Os resíduos sólidos de acordo com a norma NBR /87 da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) apresentam a seguinte definição: Resíduos sólidos são todos aqueles resíduos nos estados sólidos e semi-sólidos que resultam da atividade da comunidade de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, de serviços, de varrição ou agrícola. Nesta definição incluem-se os lodos de estação de tratamento de água e esgoto, resíduos gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição e líquidos que não possam ser lançados de rede pública de esgotos, em função de suas particularidades. O conhecimento das características dos resíduos sólidos, principalmente suas propriedades, origem e composição, é de extrema importância, uma vez que a degradação destes resíduos origina gases e líquidos que possuem em sua composição substâncias capazes de contaminar o solo, as águas superficiais e subsuperficiais e a atmosfera, causando enorme prejuízo ao meio ambiente. No Brasil a disposição dos resíduos sólidos urbanos, ocorre frequentemente sem atentar para as condições do local de despejo, ou seja, não ocorre nenhum tratamento prévio à instalação, durante a operação e após o término da operação. Este procedimento acarreta uma série de problemas, principalmente de natureza sanitária e ambiental, tais como poluição e contaminação do solo e das águas de superfície e subsuperfície, dentre outros. As principais soluções empregadas para a disposição dos resíduos sólidos são: Lançamento a céu aberto: os resíduos sólidos urbanos são simplesmente descarregados sobre o solo, sem a utilização de medidas de proteção ao meio ambiente ou à saúde pública. (Bidone e Povinelli, 1999) Aterro controlado: é uma forma de disposição final de resíduos sólidos urbanos no solo, onde precauções tecnológicas executivas, tais como o recobrimento dos resíduos com argila, são adotadas durante a construção do aterro, aumentando a segurança do local, e diminuindo os riscos de impacto sobre o meio

2 ambiente e à saúde pública. (Bidone e Povinelli, 1999) Aterro Sanitário: segundo a Cetesb (Companhia de Tecnologia e Saneamento Ambiental), o aterro sanitário é definido como um processo utilizado para a disposição de resíduos sólidos no solo, particularmente o lixo domiciliar, que fundamentado em critérios de engenharia e normas operacionais específicas, permite uma confinação segura, em termos de controle da poluição ambiental e proteção ao meio ambiente. As vantagens apresentadas na utilização do método de aterro sanitário são inúmeras, porém o baixo custo que envolve esta prática é o que a torna interessante (Lima, 1985). A Figura 1 apresenta esquematicamente um aterro sanitário e os elementos que o constituem. O fundo do aterro recebe a camada de argila compactada, e algumas vezes uma camada extra de material plástico, de forma que promova a sua impermeabilidade, evitando a infiltração de chorume no solo. São colocados ainda, poços de coleta e bombeamento do chorume gerado. O lixo colocado no aterro é coberto periodicamente por uma camada de solo, formando células (Lima, 1986; Mimide e Perraki, 2000). Tubulações verticais são colocadas com o intuito de coletar os gases produzidos pela decomposição do material. No momento em que o aterro atingir a saturação, várias camadas de solo são colocadas por cima para cobrir, impermeabilizar parcialmente, e promover o crescimento de vegetação. Poços de controle e monitoramento de contaminação do solo e das águas subterrâneas são colocados nas redondezas do aterro(switzenbaum, 2000). As barreiras impermeabilizantes, também denominadas de liners, são dispositivos que possuem a função de minimizar o fluxo de liquidos contaminados, provenientes do processo de degradação da matéria orgânica contida nos resíduos dispostos em aterros sanitários. Protegendo-se desta forma o ambiente cicurdante ao aterro contra a poluição e garantindo a potabilidade das águas naturais. Essas barreiras vem sendo utilizadas nas mais variadas obras de engenharia tais como: aterros sanitários e industriais, canais de reservatórios, diques, barragens, reservatórios entre outras. No caso particular de aterros sanitários, podem ser empregadas na base, em coberturas superficiais protetoras e na forma de barreiras, representadas por paredes de contenção, utilizadas para controlar a migração lateral dos fluídos. Quando utilizada na base do aterro as barreiras possuem a função de reduzir o fluxo de percolados para o ambiente hidrogeológico subjacente. No caso da utilização como cobertura final do aterro, as barreiras são fundamentais para evitar a infiltração de água superficial, reduzindo com isto a geração de percolados. As barreiras impermeabilizantes podem ser constituídas por solos argilosos naturais, solos compactados ou materiais sintéticos (GCL s, Geomembranas etc.), devendo apresentar como características, estanqueidade, durabilidade, resistência mecânica, resistência a intempéries e principalmente compatibilidade com os resíduos a serem enterrados. Segundo a Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (Cetesb), os solos potencialmente utilizados como barreiras impermeabilizantes devem apresentar classificação unificada do tipo: CL,CH.SC ou OH, condutividade hidráulica inferior a 7 1x10 cm/s, porcentagem de finos 30%, LP 30%, IP 30% e ph 7.

3 Figura 1. Desenho esquemático de um aterro sanitário (Switzenbaum, 1992). Em regiões onde o solo local não apresenta as características requeridas ao seu emprego como barreira impermeabilizante, utiliza-se o emprego da adição de bentonita ao solo afim de se atingir as propriedades necessárias. A mistura de bentonita ao solo local para a execução de camada de impermeabilização de base de um aterro de resíduos, está condicionada principalmente ao coeficiente de condutividade hidráulica que esta camada apresentará e, sobre tudo ao custo que esta aplicação irá demandar, quando comparado com a importação de solo argiloso de jazida externa à obra. A Figura 2 apresenta um aterro sanitário executado com camada impermeabilizante de solo bentonita. Figura 2. Aterro sanitário executado com camada impermeabilizante de solo-bentonita (Obra: terramoto Gerdau). Segundo Rowe (2000), a proporção adequada de bentonita para a mistura com solo esta entre 4 a 10%, obtendo assim valores de 7 condutividade hidráulica entre 10 9 a 10 cm/s. Entretanto é importante estabelecer uma proporção ótima de bentonita e teor de umidade para cada caso específico. Para isso são realizadas misturas de solo, com diversas proporções de bentonita e teor de umidade, avaliando-se em laboratório os valores de condutividade hidráulica obtidos. A redução do valor de condutividade hidráulica em uma mistura de solo-bentonita, depende basicamente do tipo de bentonita a ser adicionado e da proporção de material. No caso de areias apresentando granulometria de fina a média, um teor de 3 a 4% de bentonita sódica natural apresenta um decréscimo na condutividade hidráulica de duas ordens de magnitude. (Sima; Harsolescu, 1979). Considerando-se o assunto de relevada importância e a necessidade de se conhecer os mecanismos de funcionamento de misturas solo bentonita, vem sendo desenvolvido no laboratório da Escola de Engenharia de São Carlos, um estudo voltado para aplicação de solo-bentonita na construção de barreiras impermeabilizantes. Para tanto, vem sendo utilizado um solo arenoso da região de Pindorama (SP), misturado com teores adequados de bentonita. Serão realizados

4 ensaios de permeabilidade com permeâmetros de parede flexível e ensaios de resistência ao cisalhamento. 2 METODOLOGIA APLICADA 2.1 Ensaios Característicos Inicialmente foram realizados ensaios para a caracterização do solo natural e do solo misturado com bentonita. Convencionou-se estudar os teores de 3, 4 e 5 % de bentonita, que neste trabalho serão designador por S03,S04 e S05 respectivamente. Foram realizados ensaios de determinação da massa específica dos sólidos (NBR 6508/84 ), análise granulométrica conjunta (NBR 7181/84), limite de liquidez (NBR 6459/84), limite de plasticidade (NBR 7180/84) e ensaio de compactação (NBR 7182/86). Os resultados obtidos são apresentados nas tabelas 1 e 2 a seguir: Tabela 1. Resultados dos ensaios característicos Sintese dos resultados S00 S03 S04 S05 ρs (kg/m³) WL (%) Limites de Consistência WP (%) IP (%) Compactação Proctor Normal ρdmáx (kg/m³) wótm (%) 13,1 14,7 15,0 14,6 Classificação Unificada SC SC SC SC Obs.: ρs= massa específica dos sólidos WL= limite de liquidez, WP= limite de plasticidade, IP= índice de plasticidade, ρdmáx= massa específica aparente seca máxima,wótm= umidade ótima. Tabela 2. Resultados dos ensaios de granulometria Fração Granulométrica Argila (%) S00 21 S03 22 S04 22 S05 24 Silte (%) Areia Fina (%) Areia Média (%) permeâmetro de parede flexivel. Os registros foram numerados de 1 a 4, sendo o registro 1 responsável pelo controle do acesso da pressão confinante (linha 1), o registro 2 controla a contra-pressão (linha 2), o registro 3 controla a imposição do gradiente hidráulico (linha 3) e o registro 4 equilibra a pressão entre a base e o topo do corpo de prova. 2.2 Ensaios de Condutividade Hidráulica Os ensaios de condutividade hidráulica serão realizados utilizando-se permeâmetros de parede flexivel. O método empregado para a realização dos ensaios é o sistema hidráulico de volume constante (sistema fechado), semelhante ao proposto por Bjerrum and Huder (1957). O equipamento utilizado para os ensaios dispõe de quatro sistemas de volume constante, ligados a três fontes de pressão, que se destinam ao confinamento do corpo de prova, saturação por contra pressão e imposição do gradiente hidráulico. A Figura 3 apresentada a seguir esquematiza o funcionamento de um sistema hidráulico de volume constante, interligado a um Figura 3. Desenho esquemático do sistema de controle hidráuico (Dourado, 2003). O sistema é formado por um reservatório de interface água mercúrio, ligado a um tubo

5 capilar, onde são realizadas as leituras de variação da altura da coluna. O ensaio é realizado em duas fases: saturação e percolação através do corpo de prova. Inicialmente ocorre a saturação do corpo de prova por contra-pressão. A saturação do corpo de prova é verificada através do parâmetro B, proposto por Head (1986) definido como: µ B = (1) σ 3 onde: µ é a variação da pressão neutra e σ 3 é a variação da pressão confinante. Considerase saturados corpos de prova com B 0,96. A segunda fase do ensaio (percolação) inicia-se através da imposição do gradiente hidráulico, ocasionando uma ascensão da coluna de mercúrio no tubo capilar. Esta coluna de mercúrio é proporcional à diferença de pressão entre a base e o topo do corpo de prova. Sendo este sistema isolado de fontes de pressão externa, o gradiente hidráulico imposto ao corpo de prova é a altura da coluna de mercúrio. Este ensaio torna-se similar ao ensaio de carga variável onde ocorrerá fluxo até que se atinja o equilibrio entre as colunas de mercúrio do capilar e do reservatório. confinamento (σ 3 ) e a seguir, de forma imediata, a tensão desviatória (σ 1 -σ 3 ) é aplicada. Durante essas duas fases não é permitida a drenagem do corpo de prova. Ensaio adensado e não drenado (CU): a drenagem do corpo de prova é permitida durante a aplicação da pressão de confinamento (σ 3 ), até que o adensamento se processe de forma completa. Posteriormente, a tensão desvio (σ 1 -σ 3 ) é aplicada sem premissão de drenagem. Podem ser realizadas medidas de pressão neutra durante a fase não drenada do ensaio. Ensaio adensado e drenado (CD): a drenagem do corpo de prova é permitida durante a aplicação da pressão de confinamento (σ 3 ), até que o adensamento se processe de forma completa. Ainda com a permissão da drenagem, a tensão desvio (σ 1 -σ 3 ) é aplicada e aumentada a uma razão suficiente para que a pressão neutra seja mantida igual a zero. 2.3 Resistência ao Cisalhamento O ensaio de compressão triaxial consiste na aplicação de um estado hidrostático de tensões (tensão de confinamento) e de um carregamento axial sobre um corpo de prova cilindrico. O corpo de prova é envolto por uma membrana impermeável, e é colocado no interior de uma câmara. A câmara é preenchida com água, à qual se aplica uma pressão, que confina o corpo de prova. Durante este período o corpo de prova pode ou não sofrer adensamento. Após esta etapa, mantendo-se o estado hidrostático de tensões, dá-se inicio ao cisalhamento, através de um carregamento vertical aplicado por meio de um pistão. A Figura 4 ilustra um equipamento de compressão triaxial. Segundo Craig (1992), as variações dos ensaios triaxiais são: Ensaio não adensado e não drenado (UU): a amostra é submetida à pressão de Figura 4. Aparelho de compressão triaxial (Souza Pinto, 2000). As barreiras impermeabilizantes dos aterros sanitários podem ser solicitadas pelo peso próprio, pela atuação de cargas externas, variação de temperatura e acomodação de resíduos. Desta forma torna-se imprescindivel a análise da estabilidade destas barreiras. Serão realizados ensaios triaxiais do tipo consolidado não drenado (CU), com solo no seu estado natural e solo misturado com bentonita nos teores de 3, 4 e 5 % de maneira que possa ser avaliado a influência da quantidade de bentonita nos parâmetros de resistência do solo.

6 Permeability of Compacted Clay Liners. Proceeding 3 CONCLUSÃO of the Fourth International Conference on Soil Mechanic and Foundation Engineering, Betterworths, London, Vol.1, pp O emprego de bentonita na constituição de Bidone, F.R.A e Povinelli, J. (1999) Conceitos Básicos camadas impermeabilizantes vem sendo de Resíduos Sólidos. Escola de Engenharia de São amplamente utilizado, tanto na forma de Carlos, Universidade de São Paulo, Projeto RENGE, constituição de materiais sintéticos como 109 p. Craig, R.F. (1992) Soil Mechanics. Chapman & Hall, misturado com solo natural. London, fifth edition, 427p. Quando da utilização de solo misturado com Dourado, K.A. e Vilar, O.M (2003) Condutividade bentonita, torna-se necessário a realização de Hidráulica de Materiais de Baixa Permeabilidade: ensaios específicos para a mistura, afim de se Desenvolvimento, Construção e um Teste de Sistema determinar a quantidade necessária de bentonita de Medida. Dissertação de mestrado, Programa de PósGraduação em Geotecnia, Escola de Engenharia para se atingir os valores requeridos de de São Carlos, 89p. condutividade hidráulica. Head, K. (1986) Manual of Soil Laboratory Testing Na primeira etapa dos ensaios, os resultados V.03. Pentech press, London, 712p. obtidos apresentaram-se conforme o esperado, Lima, L.M. Q (1985) Tratamento de Lixo, Hemus sendo que o fato de se utilizar pequenas Editora, São Paulo, 240 p. Rowe, R.K (2000) Geotechnical and Geoenvironmetal quantidades de bentonita não influenciaram Engineering Handbook, Klwer Academic Publishers, significativamente na curva granulométrica. 1088p. Porém nos ensaios de massa especifica, limites S Silva, D.P. e Esquivel, E.R. (2005) Influência da de liquidez, limites de plasticidade e Contaminação por Cloreto de Cobre na Resistência compactação, é possivel notar-se uma ao Cisalhamento de Solos Utilizados em Liners. Dissertação de Mestado, Programa de Pós-Graduação influência mais significativa. em Geotecnia, Escola de Engenharia de São Carlos, A segunda etapa de ensaios encontra-se em 136p. desenvolvimento no laboratório da Escola de Switzenbaum, M.S (1992). Solid and hazardous waste Engenharia de São Carlos e através dos treatment. Couse notes, spring Department of resultados obtidos será possivel uma Civil Engineering University of Massachusetts. caracterização do emprego de bentonita em Mimides, T. e Perraki, T (2000). Evaluation of the attenuating properties of selected Greek clays for camadas impermeabilizantes de aterros toxic inorganic elements in landfill sites. The Science sanitários. of the Total Environment., v.253, p REFERÊNCIAS Alonso, T.P. e Vilar, O.M (2005) Condutividade Hidráulica de Solos Compactados em Ensaios com Permeâmetros de Parede Flexível. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Escola de Engenharia de São Carlos, 112 p. Associação Brasileira de Normas Técnicas (1987). Resíduos Sólidos: Classificação; NBR 10004, Rio de Janeiro. Análise Granulométrica; (MB 32) NBR 7181, Rio de Janeiro, 13p. Ensaio de Compactação; (MB 33) NBR 7182, Rio de Janeiro, 10p. Determinação do Limite de Plasticidade; (MB 31) NBR 7180, Rio de Janeiro, 3p. Determinação do Limite de Liquidez; (MB 30) NBR 6459, Rio de Janeiro, 6p Bjerrum, L. e Huder, J. (1957). Measurement of the