Investigação da Compressibilidade de Liners Percolados por Rejeitos Ácidos

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1 Investigação da Compressibilidade de Liners Percolados por Rejeitos Ácidos Zortea, Raissa ; Knop, A. ; Heineck, K.S. ; Consoli, N.C. ; Caberlon, R.C. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil. RESUMO: A presente pesquisa tem por objetivo o entendimento do comportamento compressivo de liners formados por solo compactado, quando o líquido percolado apresenta ph extremamente baixo. Líquidos desta natureza são facilmente encontrados no entorno de jazidas de exploração de carvão mineral, principalmente aqueles provenientes do contato entre rejeitos da mineração do carvão, águas de chuvas e oxigênio, combinação esta responsável pela formação de soluções de ácido sulfúrico, e de conseqüentemente baixo ph. O programa experimental desta pesquisa objetivou analisar a compressibilidade de liners formados por um determinado solo compactado, percolado por águas com diferentes níveis de acidez, as quais foram alcançadas pela adição de ácido sulfúrico. Os resultados obtidos até o presente momento nos alertam quanto a perda de propriedades e componentes do solo quando este é percolado por fluidos ácidos, sendo que os recalques nestes casos foram muito superiores ao caso onde apenas água é percolada pela amostra. PALAVRAS-CHAVE: Liners, Rejeitos Ácidos, Compressibilidade de Liners, Carvão Mineral; 1 INTRODUÇÃO A mineração é um dos setores básicos da economia do país, sendo fundamental para o desenvolvimento da sociedade, desde que operada com responsabilidade social.: é vital economicamente para o progresso e desenvolvimento sustentável, mas sem que esqueçamos dos preceitos de meio ambiente e de total minimização dos impactos ambientais provenientes desta. Um dos exemplos de extrações minerais que necessitam de acompanhamento ambiental é a de exploração de carvão mineral. O papel de vilão é atribuído ao carvão mineral devido aos rejeitos formados e estocados de forma ainda errônea durante sua exploração. Os chamados rejeitos piritosos são produzidos durante a exploração do carvão mineral, e até o presente momento, os mesmos vem sendo estocados no entorno das áreas de mineração. O que enquadra os resíduos piritosos no quadro dos mais poluentes e agressivos ao meio ambiente é o fato deste apresentar a fórmula molecular FeS 2, composto este que em contato com oxigênio e águas, forma ácido sulfúrico. O ácido sulfúrico é um dos ácidos mais corrosivos e agressivos, e da forma e quantidade que vem sendo formado, tem contaminado nascentes de rios, solo do entorno e águas subterrâneas. Apesar de importante recurso energético, a extração, o beneficiamento e a utilização do carvão mineral são atividades potencialmente poluidoras, o que pode representar elevado comprometimento ambiental. Segundo Knop (2005), destaca-se que durante o beneficiamento, de 30 a 60% do material minerado é tido como rejeito, sendo estes depositados em áreas próximas ao local de mineração. Em períodos de intensa precipitação pluviométrica as águas que entram em contato com esses rejeitos tomam características ácidas e passam a possuir alta concentração de metais dissolvidos, comprometendo a qualidade do solo e da água em camadas adjacentes, visto que a solubilização da maioria dos metais conhecidos presentes nos solos apresenta grande aumento com o decréscimo do ph. Assim sendo, através dessa pesquisa, buscase um correto tratamento e armazenamento de tais rejeitos, partindo do entendimento do comportamento do solo quando percolado por fluidos de natureza ácida. Atualmente o Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, e o laboratório Environgeo da UFRGS concentram esforços para que pesquisas e estudos encontrem um meio racional e economicamente viável para minimizar este impacto ambiental que atinge a região Sul do Brasil. Uma das formas racionais de minimização

2 de impacto que vem sido estudada é o emprego de liners impermeabilizantes de fundo e de cobertura. Onde, evita-se, o contato entre o percolado e as camadas subjacentes ao aterro, bem como as águas de chuva que contribuem para as reações de formação do ácido sulfúrico juntamente com o oxigênio do ar, e, ainda assim, o aumento significativo de volume do percolado. Os liners de impermeabilização de fundo de aterros mais tradicionalmente empregados são de argila compactada, visto o baixo custo de execução e abundância de material, muitas vezes sendo solo do próprio local. As argilas podem ser utilizadas individualmente ou em conjunto com geossintéticos em barreiras hidráulicas. Em ambos casos, a camada argilosa é o material responsável pela integridade da barreira. Onde a camada varia conforme a exigência de condutividade hidráulica (EPA, 1992; ASTM D 1973 e 1991; Austin, 1992; Daniel e Koerner, 1995). Para que a condutividade hidráulica seja baixa, utilizam-se solos altamente plásticos, que possuem características de contração e expansão com mudanças de umidade. A presença de ácido sulfúrico no percolado pode vir a alterar estas características, formando desta forma um liner sem eficiência. Camadas de argila podem fissurar devido ao ressecamento e também vir a apresentar recalques diferenciais dentro da massa de resíduos. Até então não se tem conhecimento de estudos quanto à variação da compressibilidade de camadas compactadas mediante contato direto com agentes agressivos quimicamente, de baixo ph. Assim sendo, tem-se como objetivo geral desta pesquisa a análise em laboratório através de simulações do comportamento em campo, de liners formados por um determinado solo compactado, percolado por águas ácidas em diferentes concentrações de ácido sulfúrico. Através, então, do estudo da compressibilidade do material foi-se simulado o estudo em um equipamento capaz de carregar axialmente as amostras, com restrição quanto a deformações laterais o que fez possível a análise de termos de variação de compressibilidade do liner, quando percolado por águas com diferentes níveis de acidez. 2 PROGRAMA EXPERIMENTAL 2.1 Materiais Solo O Solo utilizado como base na formação dos liners estudados é o solo residual de arenito da formação Botucatu (SRAB), proveniente de uma jazida na região metropolitana de Porto Alegre. Um grande número de pesquisas utilizando esse solo foram realizadas nos últimos anos, casos de Nuñez (1991), Thomé (1999), Heineck (2002), Knop (2003 e 2005), Azambuja (2004), Caberlon (2004), Foppa (2005) entre outros. Verifica-se através da Figura 1 que o material é composto por aproximadamente 5,0% de argila (< 0,002mm), 36,4% de silte (0,002 a 0,074mm) e 58,6% de areia. Assim sendo, o solo pode ser geotecnicamente classificado como sendo uma areia siltoargilosa, e como SM (areia siltosa), segundo a classificação unificada (ASTM D 2487,1993). A Figura 2 apresenta 3 curvas de compactação (energia proctor normal) para o solo estudado. Neste trabalho foi adotada a curva determinada na pesquisa de Knop (2003), a qual determina uma umidade ótima de 14,2% para um peso específico seco máximo de 17,6 kn/m 3. Figura 1. Curva granulométrica do solo residual de arenito Botucatu.

3 Peso Específico Seco (KN/m³) 19 18, , ,5 16 Knop (2003) Heineck (2002) Casagrande (2001) adensamento convencional a qual foi adaptada às novas necessidades, e um conjunto de conexões, o-rings e válvulas. 15, Umidade (%) Figura 2. Curvas de compactação do solo residual de arenito Botucatu Ácido Sulfúrico Para agregar acidez às águas percolantes por meio das amostras de solo, essa pesquisa vem empregando ácido sulfúrico, em baixas e médias concentrações, a fim de representar condições encontradas em campo, sejam ph e condutividade elétrica Águas Para a percolação dos corpos de prova, e como base das soluções ácidas, esta pesquisa adota água destilada. A limpeza dos equipamentos está sendo realizada com água da rede pública de abastecimento junto a reagentes de neutralização de acidez Equipamentos Para a realização dos ensaios foi desenvolvida uma câmara edométrica modificada (Figura 3) como parte dos ensaios do programa experiental do doutoramento do engenheiro Alexandre Knop, afim de se estudar e analisar o comportamento carga versus recalque de solos previamente, durante e após a percolação por águas ácidas. A câmara de compressão axial sob fluxo é composta por uma tampa, uma base, um cilindro vazado para acondicionamento da amostra (diâmetro interno de 7cm e altura de 10cm), um top cap, um sistema de medição da variação de altura do corpo de prova por meio de extensômetros digitais, por um sistema de aplicação da carga hidráulica (reservatórios) com regulagem de altura, uma prensa de Figura 3. Equipamento de compressão axial sob fluxo com deformações radiais nulas, desenvolvido por Knop (2003). Para o carregamento axial dos corpos de prova, vem sendo empregada uma prensa da marca Wykehan Farrance (Figura 3), a qual majora as cargas aplicadas em 11 vezes, permitindo um carregamento axial da ordem de 4 MPa às amostras Métodos Empregados Confecção de corpos de prova A confecção das amostras divide-se em pesagem de cada um dos materiais seguido pela mistura destes. A densidade dos corpos de prova a serem ensaiados são determinadas a partir do peso específico aparente seco máximo determinado em ensaio de compactação, com respectiva umidade ótima. A forma adotada para compactação foi a estática, em três camadas uniformes. A colocação do cilindro moldado no equipamento é precedida pela colocação de malhas de polietileno nas extremidades, evitando a perda de finos da amostra, fato constatado na fase de teste do equipamento. O top cap é colocado na face superior da amostra, apenas em contato com a face superior da amostra, e sobre este posicionado e fixado um pistão para aplicação dos carregamentos axiais. A base é fixada à tampa da câmara com

4 o auxílio de hastes de amarração, visando a estanqueidade do sistema. Estando o corpo de prova pronto, procede-se o início da percolação. Inicialmente percola-se água destilada, visando a remoção dos íons livres no solo por meio do fluxo, os quais interferem no processo de medição da concentração de contaminantes no percolado, já que esta se da por medição das condutividades elétricas e correlação direta com a concentração de contaminantes. Este artigo, porém, não irá tratar do processo de transporte de contaminantes, se concentrando apenas na variação da compressibilidade das amostras Procedimento de ensaio A fase de percolação inicial tem como percolante a água destilada, e tem duração variada, em média de 4 dias, até que a percolação tenha removido os íons livres presentes na amostra, e que a condutividade hidráulica seja constante. A segunda fase consta em modificar o liquido percolante, de água destilada para a solução ácida, em concentrações pré-estipuladas pelo programa experimental. Ambas as fases de percolação ocorrem sob carregamento mecânico da amostra de 50 kpa, objetivando simular um précarregamento do liner com rejeitos. Foi empregado um gradiente hidráulico 10 para a percolação de água destilada e para as soluções ácidas. O percolado é monitorado a determinados intervalos de tempo (em média 24 horas), através da condutividade elétrica, ph e volume de solução percolada. A terceira fase do ensaio é iniciada após a fase de percolação com a dada solução ácida chegar ao equilíbrio entre as concentrações de entrada e saída do corpo de prova, e objetiva analisar o comportamento compressivo do material após percolado com a solução ácida. Com o auxílio da prensa de adensamento modificada, procede-se o carregamento da amostra, até o limite do equipamento, pouco mais de 4 MPa. Cada carregamento tem duração média de algumas horas, até que os recalques sejam nulos. O descarregamento das amostras também foi alvo de investigação, sendo estes monitorados em todos os ensaios realizados. Como resultado da fase de carregamento das amostras, tem-se a variação da altura da amostra versus tensão aplicada, bem como índice de vazios versus tensão. Os gráficos a serem apresentados no Capítulo 3 deste artigo se detém no comportamento Altura do corpo de prova versus tensão axial Variáveis investigadas A variável desta fase da pesquisa é o nível de acidez do percolante. Para a representação do ph encontrado em campo, foram adicionados 0, 2, 6 e 10% de ácido sulfúrico à água destilada. Demais variáveis como densidade da amostra, índice de vazios inicial, gradiente hidráulico de percolação e outros, foram mantidos teoricamente constantes. 3 RESULTADOS OBTIDOS Os resultados obtidos nesta fase da pesquisa são apresentados nas Figuras 4, 5, 6, 7 e 8. As Figuras 4 e 5 apresentam os resultados para as amostras percoladas 0 e 2% de ácido respectivamente. A Figura 6 apresenta os resultados para amostras percoladas por uma solução com 6% de ácido sulfúrico, do qual foi repetido o ensaio. A Figura 7 apresenta a variação da altura da amostra versus tensão axial para a amostra percolada pela solução com 10% de ácido. A Figura 8 reúne os comportamentos de ambas as amostras, percoladas por 0, 2, 6 e 10% de ácido sulfúrico na solução. Percebe-se a partir das Figuras 4 a 7, que os recalques finais das amostras são maiores para as amostras percoladas por maiores níveis de acidez. Tomando por exemplo a Figura 4 (amostra percolada apenas por água destilada) e a Figura 7 (amostra percolada por solução ácida 10% ácido sulfúrico), têm-se recalques totais finais de 4,28mm e 5,40mm respectivamente, aumento considerável de aproximadamente 26%. O acréscimo dos recalques finais das amostras percoladas por 2 e 6% de ácido foram de respectivamente 13 e 15,6%

5 Altura da Amostra (cm) Figura 4. Altura do corpo de prova versus tensão, para 0% de ácido Altura da Amostra (cm) Figura 5. Altura do corpo de prova versus tensão, para 2% de ácido Altura da Amostra (cm) Figura 6. Altura do corpo de prova versus tensão, para 6% de ácido Altura da Amostra (cm) Figura 7. Altura do corpo de prova versus tensão, para 10% de ácido Nota-se um aumento no fator de recompressão Cr para as amostras percoladas por maiores níveis de acidez. O aumento deste fator da uma amostra percolada unicamente por água destilada para uma outra amostra percolada por uma solução ácida de 10% de ácido sulfúrico foi da ordem de 90%, e de 15%, 84% para soluções com 2% e 6% de ácido sulfúrico dissolvidos, respectivamente Na Tabela 1 são apresentados os resultados obtidos para os parâmetros de compressibilidade, em termos de Cr (reta de recompressão), Cr (reta virgem de compressão),cd (reta de descompressão) e tensão de pré-adensamento σ vm. Tabela 1 Variação dos parâmetros de Compressibilidade devido à percolação ácida % de ácido no percolante Cr Cc Cd σ vm (kpa) 0 % 0,0070 0,1080 0, % 0,0081 0,0991 0, % 0,0129 0,1216 0, % 0,0133 0,1351 0, Em termos de Cc reta virgem de compressão, houve um ligeiro decréscimo do fator Cc para percolação com a solução 2% ácida. Soluções com 6 e 10% de ácido dissolvido apresentaram aumentos do fator Cc da ordem de 13 e 25% respectivamente. O fator Cd (descarregamento) apresentou um comportamento não uniforme para as amostras percoladas por diferentes níveis de acidez. O maior aumento deste fator foi para a percolação com solução 2% ácida, sendo este de 32%. O crescimento do Cd para amostras percoladas por 6% e 10% de ácido no percolante foi idêntico, da ordem de 12%. A tensão de pré-adensamento σ vm apresentou uma forte queda para a percolação de 2% de ácido no percolante (de 1710 para 1070 kpa), porém para líquidos com 6 e 10% de ácido, no percolante, esta queda foi menos expressiva, não seguindo um padrão esperado de comportamento, visto que as quedas foram de 1710 kpa para 1410 e 1500 respectivamente para percolações com 2 e 6% de ácido sulfúrico.

6 A Figura 8 ilustra o comportamento de todas as amostras ensaiadas, onde é possível observar a variação dos recalques totais finais das amostras após a percolação por águas ácidas. A l t u r a d a A m o s t r a ( c m ) água destilada 2% de acidez 6% de acidez 10% de acidez 6% de acidez - repet Figura 8. Altura do corpo de prova versus tensão, para todas as amostras ensaiadas. Observa-se que a baixas tensões, as curvas apresentam sobreposições, sem que haja uma variação visível de compressibilidade devido à percolação ácida. Para tensões superiores a 1 MPa, as curvas se individualizam umas das outras, o que nos mostra que o maior dano da percolação ácida está se dando a consideráveis tensões, da ordem de 1 MPa. Como já argumentado, observa-se que maiores níveis de acidez no percolante acarretam em maiores recalques axiais finais. 4 CONCLUSÕES contato direto com percolados agressivos quimicamente. O projetista deve considerar os recalques que o liner irá sofrer devido ao contato com o resíduo ácido em soma aos recalques devido ao peso da massa de rejeitos. Sabemos que recalques não previstos pelo projeto podem levar uma obra a ruína, ou como este caso, fazer com que o liner perca a sua efetividade em conter o percolante. Nova tendência no tratamento destas águas ácidas é a correção do ph destas através de liners de solos tratados com sílica, cal, cinza volante e outros, visto o alto ph destes. Desta forma, haveria um percolante com ph próximo ao neutro, o que gera uma diminuição da solubilidade dos metais fixados na estrutura dos solos, evitando assim que ocorram os acréscimos de recalque do solo. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de registrar os seus agradecimentos ao PRONEX/FAPERGS, CNPq (472643/2004-5, /2004-4) e CAPES (Programa ProDoc) pelo apoio financeiro ao grupo de pesquisa. REFERÊNCIAS Austin, T. (1992). Landfill-cover Conflict. Civil Engineering. New York, v.62, n.12 EPA U. S. Environmental Protection Agency (1992) Design and Operation requirements. 57 FR 3487, 29/01. Daniel, D.E.; Koerner, R.M. (1995) Waste Containment Facilities: Guidance for construction, quality assurance and quality control of liner and cover systems. New York: ASCE, 354p. Kämpf, N; Schneider, P; Bohnen, H.; Giasson, E.; Bissani, C.A.; Mello, P.F.; De Alexandre, M.D.; Cotrim, M.; Dos Santos, (2000) A.L. Solos Constituídos em Ares de Mineração da Bacia Carbonífera. Carvão e Meio Ambiente, Centro de Ecologia da UFRGS, Porto Alegre, p Knop, A. (2004) Estudo dos Fenômenos de Transporte e Solos. Relatório Redigido para a disciplina Novos Materiais Geotécnicos, curso de doutoramento PPGEC/UFRGS 19p. Knop, A. (2005) Comportamento de Liners Atacados Quimicamente. Qualify da Tese (Doutorado em Engenharia) PPGEC/UFRGS, Porto Alegre. A partir desta pesquisa, espera-se contribuir no aperfeiçoamento das técnicas atualmente utilizadas em projeto e execução de liners em