ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS SOLO-COLÓIDE VISANDO O ENTENDIMENTO DO PROCESSO REOLÓGICO DE GANHO DE RESISTÊNCIA

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1 ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS SOLO-COLÓIDE VISANDO O ENTENDIMENTO DO PROCESSO REOLÓGICO DE GANHO DE RESISTÊNCIA Bruno Tonel Otsuka Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, tonel.otsuka@gmail.com Eduardo Dell Avanzi Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, avanzi@ufpr.br Tácio Mauro Pereira de Campos Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, tacio@puc-rio.br RESUMO: A abordagem clássica da mecânica dos solos, quer seja na avaliação do processo de adensamento, quer seja na avaliação da resistência ao cisalhamento do solo, considera o volume de sólidos do solo constante e a partícula de solo incompressível. Estas hipóteses, entretanto, não são observadas quando aplicadas a resíduos sólidos urbanos. Neste caso, a matéria orgânica apresentase altamente compressível e variável em volume ao longo do tempo uma vez que o processo de biodegradação induz à transformação de parte do material orgânico sólido em líquido e gás. O grande desafio atual é entender a influência na resposta mecânica, da mudança temporal do estado sólido ao estado líquido-gasoso de parte da porção sólida do material. Neste cenário, torna-se imprescindível entender o comportamento do material em duas situações distintas: (a) a resposta mecânica do material quando a taxa de solicitação ao cisalhamento do material é maior que a taxa de degradação da matéria orgânica (ensaios dito rápidos) e (b) a resposta mecânica do material quando a taxa de solicitação ao cisalhamento do material é menor que a taxa de degradação da matéria orgânica (ensaios dito lentos). O entendimento destes cenários possibilitará o desenvolvimento de modelos constitutivos de previsão do comportamento mecânico de sistemas não conservativos de massa, com possibilidades de aplicação na previsão do comportamento reológico de resíduos sólidos urbanos. Visando o entendimento de sistemas não conservativos de sólidos, desenvolveu-se um material constituído pela mistura de areia e colóide gelatinoso. O material desenvolvido permite a avaliação do comportamento mecânico das misturas nas duas situações de análise anteriormente citadas. Apresenta-se no presente trabalho, os resultados de ensaios triaxias drenados em corpos de prova moldados com proporções em volume de mistura solo-colóide iguais a 30, 35 e 40%. O equipamento utilizado foi um equipamento triaxial Bishop- Wesley. Os resultados mostram que o comportamento tensão x deformação dos ensaios rápidos não apresentam resistência de pico definida, mas apresentam geração abrupta de poropressão positiva para deformações axiais na ordem de 15%. Os resultados dos ensaios lentos indicam geração de poropressões negativas contribuindo para resistências ao cisalhamento consideravelmente superiores. Os ângulos de atrito interno, cálculados para os ensaios rápidos, variou entre 13 e 25 enquanto que os interceptos coesivos variaram entre 0kPa e 5kPa, dependendo da porcentagem de colóide. A partir dos resultados para carregamento lento, também se verificou a possibilidade de simulação do fenômeno de fluência (ou creep), através da aplicação de cargas constantes de longa duração. PALAVRAS-CHAVE: Aterros Sanitários, Resíduos Sólidos Urbanos, Comportamento Mecânico, Biodegradação, Ensaio Triaxial. 1

2 1 INTRODUÇÃO Uma das hipóteses fundamentais da mecânica dos solos clássica é a consideração do volume de sólidos do solo constante e as partículas de solo incompressíveis sob os níveis de tensão induzidos por obras comuns de engenharia civil. Estas premissas, assumidas como verdadeiras na solução matemática de processos de adensamentos de solos proposta por Terzaghi (1927) e implicitamente admitidas na interpretação de processos de cisalhamento de solos, não se aplicam na análise do comportamento geomecânico de resíduos sólidos urbanos (RSU). Os RSU, devido à presença considerável de matéria orgânica biodegradável em sua constituição, possuem a peculiaridade de serem altamente compressíveis e variáveis quanto ao volume de sólidos devido ao processo de biodegradação. Durante o processo de biodegradação, parte substancial da matéria orgânica é transformada em líquidos e gases. O desafio atual é entender a influência na resposta mecânica, da mudança temporal do estado sólido ao estado líquido-gasoso de parte da porção sólida deste material. Devido ao caráter temporal do processo de biodegradação, torna-se impressindível entender o comportamento do material em duas situações distintas: (a) a resposta mecânica do material quando a taxa de solicitação ao cisalhamento do material é maior que a taxa de degradação da matéria orgânica (ensaios dito rápidos) e (b) a resposta mecânica do material quando a taxa de solicitação ao cisalhamento do material é menor que a taxa de degradação da matéria orgânica (ensaios dito lentos). A primeira situação visa entender a resposta mecânica do RSU quando submetido a uma mudança abrupta do estado de tensões. Esta situação é passível de ocorrer tanto quando da construção de células de deposição sobrejacentes (alteamento de pilha de deposição), quanto no processo de recirculação de percolado na pilha para melhora do processo de biodegradação (possibilidade de aumento abrupto da poropressão no interior da pilha). A segunda situação de resposta geomecânica pode ocorrer quando da reconformação da pilha de RSU ao longo do tempo para manutenção da geometria original desta antes do processo de adensamento (procedimento adotado por alguns operadores de aterro como forma de aumentar a vida útil dos mesmos). O entendimento deste processo possibilitará o desenvolvimento de modelos constitutivos mais acurados para estimativa do comportamento geo-hidromecânico de RSU proporcionando projetos de aterros sanitários para disposição final mais seguros e otimizados. Neste cenário, o conhecimento da composição dos RSU é fundamental para o entendimento do comportamento reológico dos mesmos. Sem o conhecimento da porcentagem de matéria orgânica inicial do resíduo, a interpretação da correlação entre a resposta mecânica e a idade do resíduo fica prejudicada uma vez que o efeito da taxa de biodegradação da matéria orgânica não pode ser considerado durante a interpretação dos resultados dos ensaios. Em aditamento ao desconhecimento da situação inicial do resíduo (composição gravimétrica e taxa de degradação do material degradável), os ensaios mecânicos em RSU são em geral executados em amostras recompostas ou transformadas por processos de trituração ou moagem. Isto se deve à dificuldade de amostragem indeformada dos RSU devido à presença de componentes com diferentes tamanhos e formas e dos tamanhos consideráveis destes componentes em relação às dimensões máximas do corpo de prova, induzindo a possíveis efeitos de escala. Neste contexto, os valores de coesão e ângulo de atrito relatados na literatura são consideravelmente variados. Landva e Clark (1986), ensaiando amostras reconstituídas de RSU antigos em equipamento de cisalhamento direto indicaram magnitudes de intercepto coesivo variando entre 16 kpa e 23 kpa e ângulos de atrito variando entre 24 e 42. Jones et al. (1997) apud Golder Associates (1993), interpretando os resultados de ensaios de cisalhamento direto em amostras reconstituídas de RSU relatam magnitudes nulas de intercepto coesivo e ângulos de atrito interno da ordem de 41. Cowland et al. (1993), retroanalisando a ruptura de pilhas de resíduos, alcançaram magnitudes de intercepto coesivo da ordem de 10 kpa e ângulo de atrito 2

3 da ordem de 25. Jessberger (1994), através de retroanálises de rupturas em pilhas de RSU e de interpretações de resultados de ensaios de cisalhamento direto em amostras reconstituídas, propõe magnitudes de intercepto coesivo variando entre 0 kpa e 10 kpa e ângulos de atrito variando entre 15 e 42. Carvalho (1999), ensaiando amostras reconstituídas de RSU provenientes do aterro Bandeirantes/SP, relata magnitudes de intercepto coesivo variando entre 25 kpa e 80 kpa e ângulos de atrito variando entre 20 e 35. Observa-se que os parâmetros de resistência apresentados nos trabalhos acima citados não possuem correlação direta com o processo de biodegradação dos RSU ensaiados. Os parâmetros obtidos a partir de retroanálise de rupturas de pilhas de RSU apenas indicam valores médios uma vez que a pilha de resíduos é composta por resíduos de diferentes idades e constituições. Os parâmetros de resistência obtidos a partir de amostras reconstituídas não representam, obrigatoriamente, o estado natural do RSU no interior da pilha, uma vez que o tamanho das partículas, a temperatura do meio, a umidade e pressão de gases do interior da pilha não foram mantidos. Mais recentemente, Gabr et al. (2007) propõem uma correlação indireta entre os parâmetros de resistência de RSU e o processo de biodegradação através da porcentagem de plásticos na massa de resíduos. Os autores observam que um ângulo de atrito interno inicial de um RSU igual a 32 pode reduzir-se a 24 com o processo de decomposição da matéria orgânica e o maior contato entre partículas de plástico. Embora este comportamento tenha sido observado pelos autores em ensaios elaborados com amostras de RSU com porcentagens crescentes de partículas plásticas em sua composição, este comportamento não foi observado nos ensaios realizados com RSU de diferentes idades realizados por diferentes pesquisadores (e.g. Kavazanjian et al., 1999; Caicedo et al., 2002; Reddy et al., 2009). Nascimento et al. (2008) buscaram relacionar a magnitude dos parâmetros de resistência dos RSU com a idade dos mesmos e com o peso específico do resíduo em uma determinada idade. Utilizando resíduos com diferentes idades e mesmos pesos específicos, os autores observaram uma tendência de diminuição da magnitude do intercepto coesivo e aumento do ângulo de atrito interno do RSU com o aumento da idade do resíduo. Nos estudos sobre a influência da variação do peso específico de um resíduo com mesma idade, os autores observaram um aumento da magnitude dos parâmetros de resistência com o aumento do peso específico do RSU. Os estudos de Nascimento et al. (2008) indicam claramente a relação entre a porcentagem de matéria orgânica biodegradável e os parâmetros de resistência do RSU, bem como a importância da compactação destes na contribuição a um maior embricamento das partículas e maior ganho de resistência. Observa-se, entretanto, que as tendências de mudanças nos parâmetros de resistência entre RSU novo e antigo observadas por Nascimento et al. (2008) necessitam de maiores investigações uma vez que a constituição do resíduo antigo ensaiado não é, obrigatoriamente, similar à constituição do resíduo novo. Um melhor entendimento do processo de mudança nas magnitudes dos parâmetros de resistência de sistemas não conservativos de sólidos somente será possível com o ensaio de amostras com constituições similares, submetidas a um processo de mudança do estado sólido para um estado sólido líquido gasoso similar. Visando entender este mecanismo, desenvolveu-se um material constituído pela mistura de areia e colóide gelatinoso orgânico. O colóide utilizado possui a característica de mudança do estado sólido altamente compressível para o estado líquido em função da temperatura ambiente da amostra. O composto areia-colóide possibilita, deste modo, inferir a resposta mecânica do material quando a taxa de solicitação ao cisalhamento do material for maior que a taxa de degradação da matéria orgânica (ensaios dito rápidos) e quando a taxa de solicitação ao cisalhamento do material é menor que a taxa de degradação da matéria orgânica (ensaios dito lentos). O presente trabalho apresenta e discute os resutados de ensaios triaxiais drenados executados em amostras solo-colóide com 3

4 diferentes teores de colóide. A influência da percentagem de colóide sobre os parametros de resistência da mistura é avaliada, incluindo o entendimento do comportamento tensão deformação em ensaios lentos. 2. COMPONENTE EXPERIMENTAL Os ensaios triaxiais foram realizados em uma prensa Bishop-Wesley, adaptada para ensaios não saturados e drenagem do colóide. Similarmente a outros equipamentos para ensaios não saturados, a pressão de ar era aplicada no bordo superior da amostra enquanto que a pressão de água é aplicada no bordo inferior da amostra. Desenvolveu-se um sistema de drenagem e condução do colóide ao medidor de variação de volume da amostra, constituído por um filtro, uma placa de alumínio perfurada e uma placa de acrílico. O filtro, instalado diretamente em contato com o corpo de prova possui a finalidade de evitar a migração de material arenoso para fora da amostra. Sobrejacente ao filtro, foi posicionada uma placa de alumínio perfurada com orifícios de 8 mm de diâmetro, em substituição à pedra porosa. A finalidade da placa perfurada é permitir a passagem do colóide sem restrições. Acima desta chapa, instalou-se uma placa de acrílico perfurada que proporcionou a transmissão da vazão de colóide ao medidor de variação de volume bem como a manutenção do contato com a célula de carga, evitando-se a deformação irregular do corpo de prova. Apresenta-se nas Figuras 1 e 2 vistas gerais das placas de acrílico e de alumínio utilizadas no sistema de drenagem. Os corpos de prova ensaiados possuíam 4 de diâmetro por 8 de altura. Para a produção dos corpos de prova foi necessária a refrigeração prévia do colóide para um estado pastoso, que permitisse a mistura do solo granular sem que houvesse a decantação de seus grãos, tornando deste modo, a amostra uniforme. A refrigeração prévia foi realizada a 5 C negativos por um período aproximado de 40 minutos. O procedimento de moldagem do corpo de prova consistiu na mistura do colóide refrigerado com o solo e colocação da mistura em um molde contendo a membrana de látex. Desenvolveu-se um suporte inferior, adaptável ao molde bipartido, cujo objetivo era evitar o vazamento do colóide pelo bordo inferior da amostra. Após o preenchimento do molde, este era refrigerado por um período necessário para que o colóide atingisse a consistência semisólida fornecendo à mistura solo-colóide rigidez adequada para manuseio do corpo de provas. Para a colocação da amostra na câmara triaxial, primeiramente retirava-se o suporte inferior para posterior instalação do corpo de prova na base metálica da câmara triaxial. A base metálica da câmara possui três orifícios pelos quais, com a linha saturada, são medidos os valores de poropressão apresentados pelo corpo de prova durante os ensaios. Figura 1. Placa de acrílico para drenagem do colóide. Figura 2. Chapa de alumínio perfurada para drenagem do colóide. Apresenta-se na Figura 3 a vista geral de um corpo de prova da mistura solo-colóide instalado na prensa triaxial. 4

5 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE ABMS. rápidos e 6 ensaios lentos. Todos os ensaios foram executados com tensões efetivas iniciais iguais a 50 kpa e 90 kpa. 3 RESULTADOS Apresenta-se nas Figuras 4, 5 e 6 as curvas tensão deformação axial observadas nos ensaios rápidos com teores de colóide iguais a 40%, 35% e 30%, todos realizados com tensões efetivas iniciais iguais a 90 kpa. Observa-se que as curvas com teores de colóide iguais a 35% e 40% atingiram magnitudes de tensão desviadora praticamente iguais. De maneira geral, as curvas não apresentam picos definidos de resistência, sendo que o comportamento observado nos ensaios com 30% de colóide assemelha-se em muito com o comportamento observado de RSU (ausência de pico até grandes deformações axiais). Figura 3. Corpo de prova posicionado para o ensaio. Duas baterias de ensaios foram realizadas em corpos de prova com porcentagens em volume de colóide iguais a 30%, 35% e 40%. A primeira bateria consistiu na aplicação de uma taxa de solicitação ao cisalhamento do material maior que a taxa de degradação da matéria orgânica (ensaios dito rápidos). A segunda bateria, definida como ensaios lentos, procurou inferir a resposta mecânica do material quando a taxa de solicitação ao cisalhamento do material era menor que a taxa de degradação da matéria orgânica. O procedimento de ensaio foi dividido em duas fases. A fase de confinamento, comum aos ensaios rápidos e lentos, consistiu na aplicação de uma tensão confinante e de uma contrapressão inicial na amostra de modo a descrever aproximadamente os estados de tensão em uma célula de deposição de um aterro sanitário. A fase de aplicação da tensão desviadora nos ensaios rápidos foi definida baseando-se na estabilização das deformações imediatas do material. Nos ensaios lentos, observou-se um período mínimo de 6 horas para aplicação de um novo incremento de tensão desviadora, monitorando-se, neste interstício, o comportamento reológico da amostra. Foram realizados ao todo 18 ensaios, sendo 12 ensaios Figura 4. Curvas tensão x deformação dos ensaios rápidos e corpos de prova com 40% de colóide. Figura 5. Curvas tensão x deformação dos ensaios rápidos e corpos de prova com 35% de colóide. Apresenta-se na Figura 7 as trajetórias de tensões efetivas de ensaios rápidos com 40% de teor de colóide. Observa-se que para o ensaio com 50 kpa de tensão efetiva inicial ocorre uma geração de poropressão abrupta induzindo a 5

6 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE ABMS. amostra à ruptura. Figura 9. Variação do intercepto coesivo em função do teor de colóide Apresenta-se na Figura 10 as curvas tensão x deformação dos ensaios lentos realizados a 21 C para os três teores de colóide adotados. Observa-se neste caso que, embora as deformações axiais sejam de pequena magnitude, o incremento de deformações axiais sob tensão desviadora constante indica a possibilidade de modelagem do efeito de creep do material devido ao processo de degradação do colóide. Durante este processo foi observada a geração de poropressões negativas indicando que sob carregamento lento, a mistura solocolóide tende a ganhar resistência ao cisalhamento, principalmente pelo efeito de drenagem total da fase líquida do colóide. Figura 6. Curvas tensão x deformação dos ensaios rápidos e corpos de prova com 30% de colóide Figura 7. Trajetórias de tensão efetivas dos ensaios rápidos com 40% de colóide. Apresentam-se nas Figuras 8 e 9, a variação do ângulo de atrito e do intercepto coesivo avaliado a partir das análises das trajetórias de tensões efetivas dos ensaios realizados. Pode-se observar que o ângulo de atrito interno das misturas solo-colóide tende a diminuir com o aumento do teor de colóide, enquanto que a magnitude do intercepto coesivo tende a aumentar. Este comportamento é similar ao observado por Nascimento et al Figura 10. Curvas tensão x deformação dos ensaios lentos. 4 CONCLUSÕES Foram realizados ensaios de misturas solocolóide visando o entendimento do comportamento de sistemas não conservativos de massa. Os resultados indicam que os parâmetros de resistência sofrem influência substancial do teor de colóide presente no solo. A magnitude do intercepto coesivo tende a ser diretamente proporcional ao teor de colóide enquanto que o ângulo de atrito do solo tende a Figura 8. Variação do ângulo de atrito em função do teor de colóide da amostra 6

7 decrescer com o teor de colóide. Este comportamento é similar ao observado por Nascimento et al. (2008). Os ensaios lentos indicam que a mistura tende a apresentar acréscimos de poropressão negativos durante a fase de cisalhamento, provavelmente devido à drenagem da fase líquida do interior da amostra. De maneira geral, pode-se concluir que a mistura solo-colóide pode ser usada como ferramenta complementar ao entendimento da dinâmica de sistemas não conservativos de massa. AGRADECIMENTOS Seventh International Waste Management and Landfill Symposium, Cagliari, Italy, pp Landva, A. e Clark, J.I. (1986). Geotechnical testing of waste fill. Proceedings of Canadian geotechnical Conference, Ottawa, Ontario, pp Nascimento, J.C.F., Vilar, O.M., Machado, S.L. e Carvalho, M.F. (2008). Resistência não-drenada de resíduos sólidos urbanos do aterro metropolitano centro de Salvador BA. Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, Búzios/RJ. Reddy, K.R., Hettiarachchi, H., Parakalla, N.S., Gangathulasi, J. e Bogner, J.E. (2009). Geotechnical properties of fresh municipal solid waste at Orchard Hills Landfill, USA. Waste Management, vol. 29, pp O primeiro autor agradece à CAPES pelo suporte financeiro recebido. Os autores agradecem o apoio financeiro recebido por parte do CNPq, o qual foi fundamental para a realização pesquisa, desenvolvida dentro do projeto PRONEX-Rio E-26/ /2006 financiado pela FAPERJ REFERÊNCIAS Caicedo, B., Yamin, L., Giraldo, E. e Coronado, O., (2002). Geomechanical Properties of Municipal Solid Waste in Dona Juana Sanitary Landfill. Environmental Geotechnics (4th ICEG), De Mell & Almeida (des). Swets & Zeitlinger, Lisse, ISBN Carvalho, M.F. (1999). Comportamento mecânico de resíduos sólidos urbanos. Tese de doutorado da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade Federal de São Paulo. Cowland, J.W., Tang, K.Y. e Gabay, J. (1993). Density and strength properties of Hong Kong refuse. Proceedings Sardinia 93, Fourth International Landfill Symposium, Cagliari, Italy, pp Gabr, M.A., Hossain, M.S. e Barlaz, M.A. (2007). Shear Strength Parameters of Municipal Solid Waste with Leachate Recirculation. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 133, no. 4, pp Jessberger, H.L. (1994). Geotechnical aspects of landfill design and construction, Part 2: materials parameters and test methods.institution of Civil Engineers Geotechnical Engineering Journal 107, pp Jones, D.R.V., Taylor, D.P. e Dixon, N. (1997). Shear strength of waste and its use in landfill stability analysis. In: Yong, R.N., Thomas, H.R. (Eds.), Proceedings Geoenvironmental Engineering Conference.Thomas Telford, pp Kavazanjian, E., Matasovic, R. e Bachus, R.C. (1999). Large-diameter static and cyclic laboratory testing of municipal solid waste. Proceedings Sardinia 99, 7