4 Efeitos da Temperatura nas Propriedades dos Solos

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1 4 Efeitos da eperatura nas Propriedades dos olos No final da década de 60, surgira os prieiros estudos detalhados sobre a influência de teperatura no coportaento do solo (Passwell, 967, Capanela e Mitchell, 968; Plu e Esrig, 969), otivados pelo desenvolviento de instalações industriais que alojava equipaentos que dissipava calor. O aqueciento do solo pode tabé ser provocado por diversos outros fatores: estações de arazenaento de resíduos, disposição de rejeitos industriais, adição de cal ao solo, assi coo, o que será objeto de estudo desta tese, que é o aqueciento direto do solo para recuperação de áreas degradadas. De Capos (979) e Rabe (998) apresenta ua revisão detalhada sobre coo os parâetros de u solo são afetados pela variação de teperatura. Foi relatado pelos dois autores a influência da teperatura nos parâetros de pereabilidade, variação de copressibilidade do solo, udança de poropressão e variação nos parâetros de resistência. Para o trabalho e questão os parâetros que ais interessa são a variação de pereabilidade, variação de copressibilidade, variação físicoquíica e variação das curvas características de sucção co a teperatura. O coportaento físico-quíico de u sistea argilo-ineral tanto quanto as suas estruturas ineralógicas, propriedades de pereabilidade e tensãodeforação pode ser uito alterados devido ao aqueciento do solo a altas teperaturas. Ensaios norais de laboratório trabalha as aostras entre as teperaturas de 0 a 5 C. De Capos (979) concluiu que o coeficiente de pereabilidade cresce co o auento de teperatura. Correções para o coeficiente de pereabilidade baseados nos efeitos de variação da viscosidade da água pura co a teperatura dera bons resultados. Para o autor, se as udanças no índice de vazios co a teperatura são significantes estas deve ser consideradas na correção da

2 Capitulo 4 Efeitos da Variação da eperatura nas Propriedades dos olos 75 pereabilidade. O autor propõe ua nova relação teórica levando-se e conta este parâetro. Hopans e Dane (986) verificara que ocorre variação nas curvas características de sucção co a teperatura, concluindo que os efeitos cobinados das variações de volue de ar ocluso e da tensão superficial co a teperatura pode iniizar a variação co a teperatura. Marques (996), owhata et al. (99), ensaiando solos argilosos até a teperatura de 50 e 90 o C respectivaente, constatara u auento na condutividade hidráulica saturada das aostras ensaiadas e função do increento de teperatura. owhata et al. (99) verificou que o aqueciento induz a ua contração instantânea do volue de solo; e que, a contração voluétrica é independente dos níveis de tensões aplicados e do OCR. Rabe et al. (00) tabé constatou a redução do índice de vazios co a teperatura. Abos autores trabalhara co teperaturas abaixo de 90 C. tegeeier (998) estudando o processo de dessorção térica in-situ constatou que ocorre u auento de pereabilidade do solo co o auento de teperatura; sendo assi, concluiu-se que o transporte de vapor de água containada até a fonte de vácuo ocorra e u tepo enor. Roero et al. (00) estudara os efeitos da teperatura no coportaento hidráulico de ua argila não-saturada. Os ensaios fora realizados e células edoétricas de teperatura e sucção, controladas co aplicação de altas teperaturas. Curvas características a diferentes teperaturas ostrara que a sucção total apresentou ua redução co acréscio de teperatura à uidade constante. A teperatura tabé influenciou a pereabilidade, sendo ais relevante para elevados graus de saturação. E para graus de saturação inferiores a 75% deixa-se de notar o efeito da teperatura. Os autores ainda concluíra que não soente a variação da viscosidade co a teperatura influencia a pereabilidade. E que os efeitos tero-quíicos, de distribuição de porosidade, e, a quíica do fluído pereante, são relevantes para a pereabilidade. Capanela e Mitchell (968) afirara que variações de volue, devido às variações de teperatura nas condições de tensão efetiva constante e solos saturados, é resultante de ua expansão térica do ineral sólido e da água

3 Capitulo 4 Efeitos da Variação da eperatura nas Propriedades dos olos 76 intersticial dos poros. Estes autores afira ainda que qualquer udança na estrutura do solo é resultado das variações de teperatura. A variação de volue na água devido à teperatura pode ser expressa por: ( V ) = V onde: α w - coeficiente térico de expansão da água do solo V w volue de água dos vazios variação de teperatura α (7) w w w endo a variação de volue do ineral sólido expressa por: ( V ) = V α (8) onde α coeficiente térico da expansão cúbica do ineral sólido. V s Volue dos Minerais ólidos e o solo saturado te drenage livre durante a variação de teperatura sob tensão efetiva constante, o volue de água drenado do corpo de prova devido à variação de teperatura pode ser expresso por: ( V ) = ( V ) + ( V ) ( V ) (9) DR w onde, ( V ) representa a variação de volue do corpo de prova devido a variações de teperatura. Qualquer udança no volue de u corpo de prova devido à teperatura induz a ua udança nas forças entre partículas, sendo necessário ua reorientação ou u oviento relativo dos grãos de solo. A udança de volue do solo devido a este efeito esta expressa na equação (40). ( V ) = V α (40)

4 Capitulo 4 Efeitos da Variação da eperatura nas Propriedades dos olos 77 onde: α coeficiente físico-quíico estrutural da variação de volue devido a teperatura V volue do corpo de prova. Então a variação total nu volue de solo é expressa pôr: ( V ) = V + α V α (4) ubstituindo as equações (7), (8) e (4) e (9) e lebrando que V w = n. V e V s = ( n). V, obté-se a expressão de volue drenado e teros de porosidade, de acordo co: ( V ) = [ n( α ) α ] V DR α (4) w 4. Efeitos da eperatura no Coportaento Hidráulico Existe poucos dados na literatura que correlaciona a variação de pereabilidade de solos co teperatura. E se tratando de solos argilosos as inforações são ainda ais raras. O coeficiente de pereabilidade () pode ser deterinado pela equação (6) desenvolvida por aylor (948) quando este assiilou o fluxo viscoso através do solo co a percolação de água por u conjunto de tubos capilares: e = Ds C + e (4) onde: coeficiente de pereabilidade de Darcy D - diâetro édio dos grãos - peso específico do pereante - viscosidade do pereante e índice de vazios

5 Capitulo 4 Efeitos da Variação da eperatura nas Propriedades dos olos 78 C fator de fora (fator que perite que se passe de u tubo capilar de seção constante para u canal capilar irregular do solo) De acordo co a equação (4) percebe-se que a pereabilidade é afetada pelas características do pereante e do solo. Esta equação representa adequadaente o coportaento de solos granulares, as quando se trata de solos uito finos, te-se que levar e conta as forças físico-quíicas deste solo, iteração argila-água. Musat (97) apontou que o coeficiente ais geral de pereabilidade, a absoluta, intrínseca ou física, K, é relacionada ao coeficiente de Darcy por: K = (44) Michaels e Lin (954) estudara a pereabilidade de ua caulinita saturada para vários fluidos, ostrando que a pereabilidade absoluta é dependente do tipo de pereante. Labe (954) discutiu este resultado e concluiu que a viscosidade e a densidade não são as únicas características do pereante que influencia a pereabilidade dos solos de granuloetria fina. Considerando-se as variações de pereabilidade de u solo co a teperatura, sendo a água o fluido pereante, pode-se usar a equação 45. = (45) onde os índices e representa diferentes teperaturas no solo. A Figura ostra a variação de e co a teperatura. Os dados para a confecção desta Figura fora retirados de Labe (954). Observando-se a Figura vê-se que o parâetro é essencialente constante, as a viscosidade varia consideravelente co a teperatura. Os resultados experientais ostra que a variação de pereabilidade devido à teperatura é principalente conseqüência nas udanças das características do pereante, principalente a viscosidade. Então a equação (45) para efeitos práticos pode-se reduzir à: = (46)

6 Capitulo 4 Efeitos da Variação da eperatura nas Propriedades dos olos 79 Viscosidade e Peso específico,8,6,4, 0,8 0,6 0,4 0, eperatura ( o C) viscosidade da água (0-Poise) Peso Específico da Água (Mg/) Figura - Variação da viscosidade e peso específico da água co a teperatura. Através da Figura vê-se tabé que os valores de serão tanto aiores quanto aior for a teperatura. Os resultados experientais obtidos por Marques (999), owhata et al. (99), Houston e Lin (987), dentre outros coprovara esta afirativa. As udanças nas características físico-quíicas e/ou na estrutura do solo argiloso, devido à variação de teperatura, deve aparecer acroscopicaente coo ua variação no índice de vazios. Desta fora é necessário introduzir algu fator nas equações teóricas de pereabilidade, levando e conta a influência da teperatura no índice de vazios. Habibagahi (977) definiu o volue de vazios ocupado pela fase livre da água nu solo argiloso saturado e co todos os seus vazios interconectados, coo sendo: V V = V V (47) v vo onde: V v - volue efetivo de vazios V v volue total de vazios V vo volue de água adsorvida

7 Capitulo 4 Efeitos da Variação da eperatura nas Propriedades dos olos 80 A Equação (47) tabé pode ser escrita da seguinte fora: onde: e - índice de vazios efetivos e índice de vazios total e o água adsorvida no índice de vazios e = e (48) e o Habibagahi (977) obteve valores de e o a 5 e 50 o C iguais a 0,60 e 0,5 respectivaente, ostrando que o volue de água adsorvida é influenciado pela teperatura, e que e o decresce co o acréscio de teperatura. Modificando a equação (44) obté-se: K = K = e eo = e ` o e o Para se utilizar destas equações é necessário se conhecer os valores da razão de água adsorvida na teperatura desejada. de Capos (979) assuiu que o volue do solo diinui co o auento (49) de teperatura. O coeficiente de variação de volue solo-teperatura, α t, que pode ser definido coo: V α = ε (50) onde: = sendo > V ε V = - deforação voluétrica devido a variação de teperatura, V onde V é a variação de volue devido a teperatura, e V é o volue total a teperatura inicial.

8 Capitulo 4 Efeitos da Variação da eperatura nas Propriedades dos olos 8 O efeito da teperatura na variação voluétrica de u solo sob tensão efetiva constante será: V = V α (5) ou considerando-se a variação do índice de vazios e = ( + e) α (5) O parâetro índice de vazios (e), inclui o efeito da variação de sólidos, água e estrutura devido ao aqueciento do solo. Não estando incluído a variação de volue do solo devido aos efeitos físico-quíicos, deve estas sere incluídas na variação de volue estrutural do solo. Considerando-se diferentes teperaturas e, e assuindo-se a hipótese que é aior que : e = e e (5) A razão entre pereabilidades a diferentes teperaturas é dada por: = D D e ( + e) C e ( + e ) C (54) Considerando-se que o efeito de teperatura no solo é representado pelas variações no índice de vazios, a equação 47 pode ser siplificada para: e ( + e) = e ( + e ) (55) ubstituindo na equação (5) obté-se: ( + e ) α e e = (56)

9 Capitulo 4 Efeitos da Variação da eperatura nas Propriedades dos olos 8 e e α e =, substituído na equação (55), resulta e: + α = e ( e α ) ( + α ) (57) Expandindo-se esta equação e considerando-se que os teros de segunda e terceira orde são uito pequenos e relação aos deais, a equação (57) siplifica-se para: α e =, sendo > (58) ( + α ) O coeficiente de variação de volue solo-teperatura pode ser obtido através de ensaios edoétricos convencionais ou ensaios triaxiais por edição de variação de volue de vazios co o auento de teperatura aplicada co a aostra previaente consolidada nas tensões efetivas de capo. de Capos (979) utilizou-se dos dados de Habibagahi (977) para averiguar a relação apresentada na equação (58), coprovando que a esa estava bastante satisfatória. 4. Propriedades da Água nos olos e a Influência da eperatura O gradiente de teperatura do solo afeta as propriedades intrínsecas da água contida nos vazios do eso, coo tabé a razão da água e oviento e outras propriedades solo-água. Na natureza sepre existe algu oviento de água dentro de u eio poroso (solo) coo líquido ou vapor. Alé disso, na transferência de calor, o oviento da água causa variações nas propriedades do solo devido a variações na quantidade e tipo de água nua posição particular. Gradientes de teperatura induze diretaente a igração de água. Estes tabé pode causar

10 Capitulo 4 Efeitos da Variação da eperatura nas Propriedades dos olos 8 ovientos de água indireto por se auentar sucções potenciais e pressões osóticas. A teperatura te u efeito significante, não soente na deterinação da distribuição de fases (sólida, líquida ou gasosa), as tabé por afetar as propriedades da água, seu oviento e o grau de interação co os inerais do solo. Na abela 7 estão apresentadas as propriedades físicas da água no estado líquido. abela 7 Propriedades físicas da água e estado líquido eperatura ( o C) Densidade (g / c ) ensão superficial (g/s ) Calor de evaporação (cal / g) Calor específico (cal/ g o C) Condutividade térica (W / K) 0 0, ,6 597,,0074 0,56 4, , ,8 594,5,007 0,57 0 0, , 59,7,00 0, ,999 7,4 588,9 0,9998 0, ,998 7,7 586,0 0,9988 0,60 5 0, ,9 58, 0,998 0,6 0 0, , 580,4 0,9980 0,69 5 0, , 577,6 0,9979 0, ,995 69,5 574,7 0,9980 0,6 45 0, ,7 57,9 0,998 0, , ,9 569,0 0,9985 0,645 A presença do vapor d água nos vazios do solo provoca u auento da condutividade térica aparente devido ao calor latente. O efeito da teperatura na água do solo é iportante, pois u auento na teperatura provoca u auento na energia cinética das oléculas de água e conduz a dispersão. U pouco da água adsorvida pode se transforar e água livre e vice-versa. O equilíbrio da caada adsorvida é dinâico e varia constanteente. Miller et al. (975) relata que u decréscio na teperatura causa u auento na espessura da caada dupla.