Comportamento Mecânico de Solo Encapsulado Contaminado por Resíduo Industrial

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1 Comportamento Mecânico de Solo Encapsulado Contaminado por Resíduo Industrial José Waldomiro Jiménez Rojas, Nilo César Consoli, Karla Salvagni Heineck Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul. RESUMO: Este trabalho visa à aplicação da técnica de encapsulamento de solos contaminados, analisando especificamente o comportamento mecânico através da resistência a compressão simples. O solo foi contaminado pelo resíduo industrial borra oleosa ácida e a aplicação da técnica teve como material de encapsulamento o cimento Portland CP V ARI. Após a coleta e caracterização geotécnica do solo, foram moldados corpos de prova com quantidades de cimento em relação ao peso de solo de 10%, 20% e 30%. Para cada uma destas quantidades de cimento tomaram-se as quantidades de 0%, 10%, 25%, 40% e 55% de borra oleosa ácida em relação ao peso total de líquidos. Para todos os teores de agente estabilizante e de contaminante foram realizados ensaios de compressão simples. De acordo com os resultados, a técnica de encapsulamento mostrou-se eficiente para pequenas quantidades de borra oleosa ácida enquanto que para quantidades maiores de borra oleosa ácida a técnica torna-se menos eficiente. PALAVRAS-CHAVE: Encapsulamento, Resíduo Industrial, Cimento Portland, Solo Contaminado. 1 INTRODUÇÃO Com o inevitável desenvolvimento no setor petrolífero a indústria do petróleo tem se deparado com diversos problemas, causando danos por vezes irreparáveis ao meio ambiente, ocasionando o surgimento de várias áreas com depósitos de resíduos perigosos no país. São diversos os problemas causados pela presença de áreas contaminadas, estes vão desde a restrição do uso e ocupação com conseqüente redução do valor imobiliário do local e seu entorno, até o comprometimento da saúde pública e ecossistemas locais. A recuperação de áreas contaminadas tem sido uma das principais preocupações mundiais. Dentro disso, a atenção principal está sendo dada para a isolação e a retenção através de meios que possibilitem o controle da migração do contaminante. Entre os métodos de controle e remediação pode-se citar os processos de solidificação/estabilização ou encapsulamento de contaminantes. Segundo a Environmental Protection Agency (EPA 2000), a solidificação/estabilização define-se como uma técnica capaz de proporcionar diminuição da capacidade de transferir ou lixiviar poluentes, ou perda da solubilidade por parte dos constituintes perigosos, através da adição de um agente cimentante. Para Stegemann et al. 2002, o encapsulamento com cimento Portland ou outro agente cimentante hidráulico é geralmente sugerido como melhor tratamento para rejeitos que não podem ser eliminados ou reciclados. Devem ser realizados ensaios pós-tratamento de estabilização e solidificação, os quais consistem em análises físicas e químicas do composto tratado, entre estes, os ensaios de resistência à compressão simples. (EPA 2000). Este trabalho visa à aplicação da técnica de encapsulamento quando o solo estiver contaminado por resíduo industrial borra oleosa ácida, tendo como objetivos caracterizar geotécnicamente o solo e analisar o comportamento mecânico através de ensaios de resistência a compressão simples. 2 PROGRAMA EXPERIMENTAL O programa experimental estabelecido tem como objetivo principal analisar a aplicação da técnica de encapsulamento com cimento portland nas propriedades mecânicas de um solo contaminado por diferentes quantidades de borra oleosa ácida.

2 2.1 Programa de Ensaios Caracterização do Solo A partir da amostra coletada, Figura 01, foram realizados os ensaios de granulometria, limites de Atterbeg e ensaios de compactação com energia Proctor normal, para obtenção dos parâmetros necessários para a moldagem dos corpos de prova. 2.2 Materiais Utilizados Solo O solo utilizado nesta pesquisa é proveniente de uma área industrial localizada na região metropolitana de Porto Alegre, o local possui uma área de aproximadamente 6 hectares e está situado na província geomorfológica denominada Depressão Periférica, cuja litologia é caracterizada pela presença de rochas sedimentares pertencentes à Bacia do Paraná Cimento Neste trabalho foi utilizado como agente cimentante o cimento Portland de alta resistência inicial (CP V ARI). Este cimento tem a peculiaridade de atingir altas resistências já nos primeiros dias de aplicação, como ilustra a Figura 02. Figura 01. Perfil do solo coletado Resistência à Compressão Simples Os ensaios de resistência à compressão simples (RCS) foram realizados com crescentes quantidades de cimento (CPO) adicionados ao solo e crescentes quantidades de borra oleosa ácida adicionada à água. A dosagem foi definida baseada em valores publicados na literatura (Ylmas et al. 2003, Knop 2003 e Caberlon 2004). A Tabela 01 apresenta as proporções utilizadas para os ensaios de RCS. Tabela 01. Valores de resistência à compressão simples. Ensaio CPO Resíduo Ensaio CPO Resíduo RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS RCS Resistência a compressão (MPa) CP II CP I - S CP IV CP V CP III Idade (dias) Figura 02. Evolução média da resistência à compressão dos distintos tipos de cimento portland. (ABCP, 2004) Água Para os ensaios de resistência à compressão simples e compactação foi utilizada água disponível na rede pública de abastecimento. Nos ensaios de granulometria foi utilizada água destilada Borra Oleosa Ácida. O contaminante é o resíduo industrial borra oleosa ácida, oriundo de uma refinaria que realiza o reprocessamento de óleos lubrificantes usados utilizados em veículos automotores. O resíduo apresenta variabilidade quanto a sua

3 composição devido às características da matéria prima utilizada e outros fatores inerentes ao processo de refino. 2.3 Métodos Utilizados Caracterização Solo Após a secagem ao ar livre e posterior destorroamento e peneiramento foram realizados os seguintes ensaios para caracterização geotécnica: análise granulométrica (NBR 7181/84), limite de liquidez (NBR 6459/84), limite de plasticidade (NBR 7180/84) e compactação (NBR 7182/86). defloculante (hexametafosfato de sódio). Os resultados da análise granulométrica apresentada pela Tabela 02 evidenciam a predominância da fração silte. Tabela 02. Composição granulométrica do solo Granulometria NBR 6457 Material Porcentagem Argila 22 Silte 43 Areia fina 26 Areia média 7 Areia grossa 2 Pedregulho Resistência à Compressão Simples Para a realização dos ensaios de resistência à compressão simples (NBR 1224/86 e NBR 12025/90) os corpos de prova foram moldados em três camadas em molde tripartido com dimensões aproximadas de 5cm de diâmetro e 10cm de altura, sendo que as misturas eram realizadas primeiramente com materiais secos, solo + cimento, logo a adição de resíduo + água. Cada camada foi calculada previamente e a quantidade necessária de material foi determinada em relação à massa. A soma dos pesos dos materiais secos deveria corresponder a 100% do peso dos materiais sólidos. A quantidade de líquidos na mistura foi calculada a partir da umidade ótima (Wot). A compactação dos corpos de prova (CP) foi realizada de forma estática. Os corpos de prova (CP) foram postos sete dias de cura acondicionados em sacos plásticos fechados, antes do rompimento, os corpos de prova foram imersos em água por um período de 4 horas. A prensa utilizada para a ruptura dos corpos de prova é da marca Wykeham Farrance, adaptada com anel dinamométrico de 50 KN. 3 RESULTADOS 3.1 Caracterização do Solo Análise Granulométrica A Figura 03 apresenta a curva granulométrica obtida para o solo residual com o uso de Figura 03. Distribuição granulométrica do solo em estudo Limites de Atterberg Após ensaios de consistência realizados em laboratório, a Tabela 03 apresenta os valores de limites de Atterberg. Observa-se que tanto o limíte de liquidez como o limite de plasticidade apresenta valores baixos. Tabela 03. Limites de Atterberg e atividade coloidal do solo natural. Limites de Atterberg Valores Limite de Liquidez (LL) 21 % Limite de Plasticidade (LP) 17 % Índice de Plasticidade (IP) 4 % Índice de Atividade (IA) 0,18 % Compactação O ensaio de compactação foi realizado com o intuito de determinar a umidade ótima de

4 compactação e o peso específico seco máximo na energia Proctor normal. Observa-se na Figura 04 os seguintes valores: 18,25 kn/m³ de densidade máxima (γd) e 13,50 % de umidade ótima (ωot). Peso específico seco (kn/m³) 18,50 18,00 17,50 17,00 16,50 16,00 15,50 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 Teor de umidade Figura 04. Curva de compactação Proctor Normal Resistência à Compressão Simples Na Tabela 04 são apresentados os resultados dos ensaios de resistência à compressão simples. Os resultados apontam que houve modificações na resistência mecânica para todas as dosagens analisadas, evidenciando a influência do contaminante. Observa-se que quanto maior for a quantidade de contaminante nas amostras encapsuladas menor será a resistência. Tabela 04. Valores de resistência à compressão simples. 10% Cimento 20% Cimento 30% Cimento % residuo RCS (MPa) % residuo RCS (MPa) % residuo RCS (MPa) 0 4,03 0 8,08 0 9, , , , , , , , , , , , ,17 chegando a resultados muito próximos a partir de 40% de contaminante na amostra. Para teores acima de 55% de contaminante não foi possível obter a resistência à compressão simples, os corpos de prova chegavam à ruptura imediatamente após a imersão. Resistência a Compressão Simples (MPa) % cimento R² = 0,991 20% cimento R² = 0,991 30% cimento R² = 0, % de borra oleosa acida em relação a umidade ótima Figura 05. Resistência a compressão simples O modelo de ruptura dos corpos de prova variou conforme o nível de contaminação e o grau de cimentação. Os corpos de prova apresentaram dois planos de ruptura, a Figura 06 ilustra a superfície cisalhante (a) e a ruptura em formato cônico (b) e (c). Os resultados demonstram que quanto maior for a quantidade de contaminante nas amostras, menor será a quantidade de água disponível para a hidratação do cimento, resultando no decréscimo de resistência. A Figura 05 ilustra o comportamento da resistência à compressão simples para as variadas quantidades de cimento e contaminante. Os resultados mostram que a perda de resistência das amostras é de igual forma para os três teores de cimento estudados, Figura 06. Resitencia a compressão simples

5 Foram realizados ensaios em amostras contaminadas sem a adição de cimento, notouse que quanto mais contaminada a amostra, maior a resistência. A Tabela 05 apresenta os valores referentes a estes ensaios. Tabela 05. Valores de resistência à compressão simples 0% Cimento % residuo RCS (MPa) 0 0, , , , ,36 Quando submetidas aos ensaios as amostras sem cimento não apresentaram uma ruptura cisalhante ou com formato cônico e nem queda significativa de resistência após a tensão máxima ter sido atingida. Os corpos de prova apresentavam pequenas fissuras verticais com o aumento do volume lateral, tornando-se similares a um formato do tipo barril. A Figura 07 ilustra três corpos de prova com e sem adição de cimento. químicas deixando os corpos de prova com uma coloração branca. Estas reações não aconteceram para nenhuma das amostras contendo cimento. Conforme na figura 07 (a) observa-se uma amostra com 20% de cimento e 40% de contaminante exposto ao ar livre. Já para os corpos de prova com 40% de contaminante e sem adição de cimento, pode-se observar a coloração branca da amostra exposta ao ar livre, figura 07 (b). A amostra armazenada em saco plástico e com mesma dosagem é observada na figura 07 (c). 4 CONCLUSÃO A partir dos resultados e das análises apresentadas no capítulo anterior, foram estabelecidas as seguintes conclusões: 4.1 Quanto à Caracterização do Solo Através da caracterização do solo pode-se diagnosticar que o silte é o material predominante. O valor de índice de atividade do solo é correspondente a valores tipicos dos argilo-minerais caolinita. 4.2 Quanto à Resistência à Compressão Simples Figura 07. Modo de ruptura e condições após 21 dias da moldagem: (a) 20% de cimento/40% de contaminante; (b) 0% de cimento/40% de contaminante; (c) 0% de cimento/40% de contaminante. Alguns corpos de prova, sem cimento, após a ruptura foram armazenados em sacos plásticos devido ao forte odor, sendo que alguns ficaram em temperatura ambiente. As amostras que estavam em contato com o ar livre, após alguns dias, apresentaram algum tipo de reações A resistência à compressão simples, de forma já esperada, aumentou com o fator de cimento, tendo uma redução com a adição de borra oleosa ácida. Quanto mais borra oleosa ácida para um mesmo teor de agente cimentante menor a resistência. Para corpos de prova com quantidades acima de 55% de contaminante, a técnica mostra-se comprometida, pois as amostras após imersão se degradaram. Conclui-se ainda que houve um pequeno aumento de resistência com adição de contaminante em amostras não cimentadas. Os resultados mostram que a resistência à compressão simples é dependente da quantidade de cimento e teor de borra oleosa ácida. De acordo com os resultados, a técnica de encapsulamento mostrou-se eficiente para pequenas quantidades de borra oleosa ácida

6 enquanto que para quantidades maiores de borra oleosa ácida a técnica torna-se menos eficiente. AGRADECIMENTOS Os autores querem expressar seus agradecimentos a CAPES, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior. REFERÊNCIAS Associação brasileira de normas técnicas. Solos Ensaio de compactação. NBR Rio de Janeiro, Associação brasileira de normas técnicas. Solo - Análise granulométrica NBR Rio de Janeiro, Associação brasileira de normas técnicas. Solo - Determinação do limite de liquidez. NBR Rio de Janeiro, Associação brasileira de normas técnicas. Solo - Determinação do limite de plasticidade. NBR Rio de Janeiro, Associação brasileira de normas técnicas. Solo-cimento Moldagem e Cura de Corpos de Prova. NBR Rio de Janeiro, Associação brasileira de normas técnicas. Solo-cimento Ensaios de Compressão Simples de Corpos de Prova Cilíndricos. NBR Rio de Janeiro, Associação brasileira de normas técnicas. Amostras de Solo preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. NBR Rio de Janeiro, Associação brasileira de cimento portland (ABCP). Guia básico de utilização do cimento portland. BT 106, 7.ed. São Paulo, p. Caberlon, R. C. Condutividade hidráulica em solos contaminados encapsulados p. Dissertação (Mestrado em Engenharia) PPGEC/UFRGS, Porto Alegre. Environmental Protection Agency. Solidification/Stabilization use at superfund sites. EPA-542. Washington, Knop, A. Encapsulamento de solos contaminados por hidrocarbonetos p. Dissertação (Mestrado em Engenharia) PPGEC/UFRGS, Porto Alegre. Stegemann, J.A.; Buenfeld, N.R. Prediction of leachate ph for cement paste containing pure metal compounds. Elsevier, Journal of Hazardous Materials. Amsterdam, v. B90. p Yilmaz, O; Unlu, K; Cokca, E. Solidification/Stabilization of Hazardous Wastes Containing Metals and Organic Contaminants. Journal of Materials in Civil Engineering. Vol. 129, No. 4, , 2003.