Estudo da Resistividade Elétrica para a Caracterização de Rejeitos de Minério de Ferro

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1 Estudo da Resistividade Elétrica para a Caracterização de Rejeitos de Minério de Ferro Hector M. O. Hernandez e André P. Assis Departaento de Engenharia Civil & Abiental, Universidade de Brasília, Brasília, Brasil RESUMO: Co os avanços na eletroeletrônica os étodos geofísicos tê adquirido ua iportante posição dentro das técnicas de investigação da engenharia civil oderna. A Resistividade Elétrica de ua assa de solo ou de rocha apresenta ua forte dependência da resistividade da água presente nos poros do eio contínuo, assi coo das udanças de teperatura e da proporção de eleentos etálicos presentes na assa de solo ou da rocha. Neste artigo são apresentados os resultados de ua capanha de ensaios de laboratório que tê por finalidade avaliar a influência de udanças das condições dos depósitos de rejeito de inério de ferro na condutividade elétrica do aterial. Apresenta-se a etodologia epregada para realizar a edição da queda de voltage na assa de solo e a posterior deterinação da condutividade. Os resultados obtidos são analisados, tanto e função das condições de saturação e porosidade, coo do teor de ferro dos ateriais estudados. PALAVRAS-CHAVE: Rejeitos de Minério, Resistividade Elétrica, Solos Granulares. 1. INTRODUÇÃO Os subprodutos da ineração são conhecidos coo efluentes sólidos e/ou efluentes líquidos, de baixo valor coercial e alto potencial de poluição abiental. Alé da carga sólida, geralente há containantes físico-quíicos que faze co que estes efluentes tenha que ser contidos e/ou tratados co o objetivo de iniizar o ipacto no abiente. Estes efluentes varia e proporção, por unidade de inério extraído, dependendo do tipo de inério, passando de 40% no caso do ferro a 99,99% no caso do ouro (Abrão, 1987). No presente trabalho é explorada a potencialidade de utilizar o étodo geofísico de resistividade para a caracterização do aterial de rejeito, basicaente devido à forte dependência que te a resistividade de ua assa de solo co a proporção de eleentos etálicos presentes na sua estrutura. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Rejeitos de Minério de Ferro Os rejeitos de inério de ferro são geralente transportados na fora de istura co água. Estes ateriais hidraulicaente depositados apresenta ua assa específica dos grãos que depende do inério explorado e de sua ineralogia, assi coo dos processos de beneficiaento. Estes eleentos soados co os processos de transporte e deposição faze co que os depósitos obtidos apresente densidade aparenteente seca, índice de vazios e assa específica dos grãos altaente variáveis nas barragens de rejeitos. Ribeiro et al. (1998) e Ribeiro (2000) discute o efeito das variáveis de deposição hidráulica no coportaento geotécnico de barragens de rejeito, avaliando os aspectos físicos dos processos de deposição e realizando ua odelage e laboratório das condições de capo. Os rejeitos de inério de ferro apresenta ua grande variabilidade das suas propriedades e função das udanças do conteúdo de ferro neles presente. Este fenôeno pode ser ilustrado de fora siples co a análise do coportaento da assa específica dos grãos do aterial de rejeito. Espósito (2000) e Lopes (2000) apresentara gráficos e correlações teóricas e epíricas que tê coo objetivo expressar a relação entre o teor de ferro e a assa específica dos grãos. 1

2 2.2. A Resistividade Elétrica A Resistividade Elétrica é a resistência que ua assa de solo ou de rocha opõe a passage de ua corrente elétrica. A resistividade ou resistência específica (ρ) é ua propriedade dos corpos por eio da qual estes se contrapõe ao avanço da corrente elétrica. A resistividade se relaciona co a resistência elétrica (R) ediante a Equação 1. O inverso da resistividade é o que se conhece coo a Condutividade Elétrica (1/ρ) (Daniel 1997). A faixa de variação da resistividade para os ateriais geotécnicos está entre 10-2 a 10-5 Ω x (Oh x ). L R = ρ (1) A onde: R = Resistência; ρ = Resistividade elétrica; L = Copriento do condutor; A = Seção transversal. A resistividade apresenta ua forte dependência tanto das udanças de teperatura coo da proporção de eleentos etálicos presentes na assa de solo ou de rocha (Sarria 1996). Outro eleento que influencia notavelente a resistividade é a água presente nos poros de u eio contínuo. Desta fora, a resistividade de u solo ou de ua rocha é função do grau de saturação e da salinidade da água freática, ou seja, da concentração iônica, da obilidade eletroquíica dos íons e da teperatura (Daniel 1997). Nos estudos de resistividade, a salinidade se expressa coo o volue total de sólidos e dissolução (V SD ). E abientes naturais a resistividade da água (ρ w ) varia entre 0,1 Ω x para lagos salgados e 300 Ω x para água pura destilada. A quantidade de água presente e ua assa saturada depende de sua porosidade. Desta fora, a resistividade da assa saturada depende da água de saturação (ρ w ). Sendo (ρ o ) a resistividade da assa saturada, esta poderá ser expressa e função da resistividade da água de saturação (ρ w ) e do Fator de Foração da assa (F f ), coo é apresentado na Equação 2. ( ) ρ = (2) o Ff ρ w O Fator de Foração (F f ) é a relação entre a condutividade do fluido que preenche os poros e a resistividade do eso eio saturado. O Fator de Foração da Equação 2 relaciona a estrutura interna do eio percorrido pela corrente elétrica co a resistividade que o eio lhe ipõe (Daniel 1997 e Sarria 1996). Desta fora, os fatores que afeta o F f são: - A fora dos grãos; - A granuloetria do eio; - A disposição dos grãos (estrutura granular: porosidade ou índice de vazios); - O conteúdo de etais ou grãos etálicos. 3. METODOLOGIA A resistividade elétrica foi deterinada edindo a queda de potencial entre dois eletrodos, entre os quais flui ua corrente co intensidade I, tendo u dispositivo conhecido que perite a deterinação do valor do fator geoétrico, que depende das distâncias entre os quatro eletrodos. O sistea consta de dois eletrodos de corrente (A e B) e dois eletrodos de potência (M e N) coo pode ser observado na Figura 1. Adicionalente te-se u iliaperíetro, que perite a regulage da intensidade I, e u ilivoltíetro, que possibilita a deterinação da queda de voltage V (Sarria 1996). +I Eletrodo de Corrente A M Eletrodos de Potencia MN I (Miliaperíetro) V (Milivoltíetro) Figura 1. Eleentos de u dispositivo geoelétrico AB Para a presente pesquisa foi construído u dispositivo geoelétrico que consta de u gerador de freqüência arca BK Precision Série 4010A 2MHz, u ilivoltíetro digital MS8205, e quatro eletrodos de 100 de copriento e 2,75 de diâetro, co N Eletrodo de -I Corrente B 2

3 espaçaento AB de 300 e MN de 60. Os eletrodos são ligados aos equipaentos de indução e edição por eio de u cabo de quatro fios, co u copriento de 7,0, dotado de jacarés, que facilita a ontage do sistea. Este arranjo facilita a ovientação dos eletrodos peritindo que os equipaentos peraneça nu local fixo. Para a calibração do equipaento geoelétrico foi construída ua caixa de adeira de , na qual foi realizada a copactação do aterial de rejeito e condições controladas de índice de vazios, saturação e teor de ferro. Para esta calibração foi então necessária a classificação do aterial de rejeito co o objetivo de realizar a edição de resistividade e ateriais co teores de ferro diferentes. Fora assi classificados 30 kg de rejeito utilizando a técnica apresentada por Hernandez (2002). Co este procediento fora obtidos dois ateriais, sendo o prieiro u concentrado de Quartzo, denoinado de Material Q, e o segundo u concentrado de Ferro, chaado de Material Fe. Na Tabela 1 são apresentadas as principais características geotécnicas destes ateriais. Tabela 1. Propriedades geotécnicas dos ateriais concentrado de quartzo (Material Q) e concentrado de ferro (Material Fe) Propriedade Unid. Mat. Q Mat. Fe Massa especifica dos grãos (ρ s ) kn/ 3 26,9 46,0 Conteúdo de Ferro (Fe) % 1,5 75,0 Óxido de silício (SiO 2 ) % 98,5 25,0 Índice de vazios áxio (e áx ) - 0,92 1,06 Índice de vazios ínio (e in ) - 0,61 0,66 Porosidade áxia (n ax ) % Porosidade ínia (n in ) % Diâetro efetivo (D 10 ) 0,114 0,062 Diâetro édio (D 50 ) 0,268 0,237 D 60 0,316 0,299 D 90 0,616 0,626 Coeficiente de Uniforidade (CU) - 2,77 4,82 D 90 / D 10-5,40 10,10 Para a obtenção de ua apla faixa de valores de resistividade e função do índice de vazios e do grau de saturação, os dois ateriais fora copactados a quatro índices de vazios diferentes, e para cada u destes fora oldadas aostras a cinco graus de saturação. Na Tabela 2 são referenciados os índices de vazios e os diferentes graus de saturação epregados para cada aterial. Tabela 2. Propriedades de oldage dos ateriais para a realização do ensaio de condutividade elétrica Material Q Material Fe e n (%) S (%) e n (%) S (%) 0,17; 25 0,5; 25 0, ; 75 1, ; 75 0,2; 25 0,57; 25 0, ; 75 0, ; 75 0,23; 25 0,67; 25 0, ; 75 0, ; 75 0,26; 25 0,76; 25 0, ; 75 0, ; 75 O controle de densidade necessário para atingir a porosidade desejada foi realizado por eio da deterinação da assa de aterial úido e da assa de aterial seco necessárias para o preenchiento do volue da caixa de adeira. Esta deterinação foi realizada utilizando-se a Equação 3. Adicionalente, utilizando a Equação 4 foi deterinado o volue de água necessário para atingir o grau de saturação desejado e função da uidade higroscópica do aterial. V ρ s M = ( 1 + w) 1 + e (3) S e M d w M d Vw = ρ γ (4) s w onde: M = Massa úida; V = Volue da aostra; ρ s = Massa específica dos grãos; e = Índice de vazios; w = Uidade higroscópica; γ w = Densidade da água; S = Grau de saturação. Utilizando a etodologia apresentada por Daniel (1997) foi realizada a análise dos dados obtidos da realização dos ensaios de resistividade. 3

4 4. APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS Foi realizada ua capanha de ensaios de laboratório para avaliar a influência nas udanças das condições dos depósitos de rejeito de inério de ferro na condutividade elétrica do aterial. Inicialente foi realizada a calibração do equipaento e ua solução de água destilada e Cloreto de Sódio (NaCl). Nesta solução a condutividade e a salinidade fora deterinadas co a utilização de u conductivíetro odelo CO150 da HACH. A Figura 2 apresenta a curva de calibração Condutividade vs. Voltage para ua freqüência de excitação de 1000 Hz. Esta etodologia é necessária já que no solo é realizada a edição da queda de voltage entre os eletrodos centrais do equipaento. Co este parâetro e utilizando as curvas de calibração é deterinada a condutividade da assa de solo. Voltage (V) 10,00 1,00 0,10 0,01 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0 Condutividade (s) (S) Figura 2. Curva de calibração Condutividade vs. Voltage para ua freqüência de excitação édia de f = 1000 Hz. A relação de Condutividade vs. Voltage apresentada na Figura 2 te a fora potencial b V = a C, sendo V a variável dependente é necessária a inversão da equação. Realizando o desenvolviento ateático e deterinando a condutividade coo ua função da voltage (V) e dos teros de ajuste a e b, se chega à relação apresentada na Equação 5. ln a ln V C = exp (5) b Realizando o ajuste para cada ua das freqüências de excitação e dividindo a curva e dois trechos, C <5 S e C >5 S, foi possível chegar a u sistea de equações que perite a deterinação da condutividade para cada ua das freqüências de excitação. As Equações 6 e 7 apresenta as relações para ua freqüência de excitação de 1000 Hz.. ln 0,7726 ln V C = exp ; 0,212 V < 0,5493 (6) ln 2,4466 ln V C = exp ; 0,9172 V > 0,5493 (7) O seguinte passo foi a realização da capanha de ensaios de laboratório apresentada na Tabela 2. Co esta inforação foi deterinado o Fator de Foração (F) para cada u dos ateriais. O fator de foração relaciona a resistividade do eio saturado co a resistividade do fluido presente nos poros do solo. Assi, o fator de foração depende da estrutura dos poros do eio. A Equação 8 apresenta o fator F coo ua relação entre a resistividade do eio saturado (R o ) e a resistividade do fluido presente nos poros (R w ). R R o F = (8) w O passo seguinte foi a deterinação da influência da porosidade no fator de foração. Na Figura 3 é possível observar a relação entre a porosidade e o fator de foração para o caso do aterial saturação. Fator de Foração F F = 4,1748 n -1,9498 0,1 1,0 Porosidade n (%) S = 0% S = 25% S = 50% S = 75% Figura 3. Relação ente a Porosidade e o Fator de Foração para o Material Fe. As equações são da fora F = a n. Neste caso, é o coeficiente que relaciona a variação 4

5 do Fator de Fora co as udanças na porosidade. Para os dois ateriais fora deterinados coeficientes de 0,45 para o Material Q e de 1,95 para o Material Fe. Co este coeficiente foi deterinado o produto F n. Na fase seguinte foi deterinada a influência do grau de saturação no produto F n. Co este objetivo foi elaborado o gráfico apresentado na Figura 4, no qual é possível observar a relação entre o produto F n e o grau de saturação. Estas relações de ajuste são da fora F n = b S. Para estas relações o expoente s representa a variação do produto do Fator de Foração e da porosidade co relação às udanças no grau de saturação do solo estudado. Material Fe: 1,95 0,248 F = 3,414 n S + 10, (11) Fator F ( ) 81 F = 18,292 n - S -s + 1,7798 F = 3,4143 n - S -s + 10, n - x S -s Material Q Figura 5. Relação entre o produto n de Foração F: Material Fe S e o Fator Produto F x n O coeficiente varia de 0,447 para o Material Q a 1,95 para o Material Fe devido à influência do teor de ferro. Foi então elaborada ua relação de variação do coeficiente e função do teor de ferro do (Fe) (ver Equação 12). 1 F. n = 4,699 S -0,2479 0,001 0,010 0,100 1,000 Saturação S (%) F n Figura 4. Relação entre o produto e o grau de saturação para o Material Fe (Coeficiente de correlação 0,705). Para definir o ponto de partida da relação de calibração, fora deterinados os produtos n S para cada ua das aostras copactadas. Na Figura 5 é apresentada a relação gráfica entre o produto n S e o Fator de Foração para cada u dos ateriais utilizados. O elhor ajuste para os dados apresentados na Figura 5 são relações da fora apresentada na Equação 9. As Equações 10 e 11 contê os elhores ajustes para os pontos apresentados na Figura 5, para cada u dos ateriais ensaiados, co R 2 de 0,931 e 0,623 respectivaente. F = a ( n S ) + b Material Q: 18,292 ( 0,4472 0, 197 = n S ) + 1, 7798 (9) F (10) + 0,2 = Fe ; 0,015 Fe 0,75 (12) 0,5 O coeficiente s apresenta pouca variação entre os ateriais, passando de 0,197 para o Material Q e chegando a 0,248 para o Material Fe. A pouca variação neste parâetro indica que o grau de saturação apresenta ua influência hoogênea nos dois casos, podendo inclusive ser utilizado u valor único, neste caso s ed = 0,223, se influenciar s significativaente o peso do parâetro S no resultado final da equação. O coeficiente a governa a inclinação da relação de ajuste. Para o Material Q (1,5% de ferro) o coeficiente apresenta u valor de 18,292, o que indica a alta variação do Fator de Foração, co as udanças do produto n S. Já para o Material Fe (75% de ferro), o coeficiente apresenta u valor de 3,414. Assi, e ateriais co baixo teor de ferro a iportância nas condições dos vazios e da saturação é ais relevante no auento da resistividade do eio. Já para ateriais co 5

6 teores aiores de ferro, grandes udanças dos vazios ou do grau de saturação apresenta u ipacto enor no auento da resistividade, indicando que parte da transissividade da corrente elétrica possa estar se apresentando pela estrutura da assa de solo. Tentando obter ua relação de variação do coeficiente a co relação ao teor de ferro do aterial (Fe) foi elaborada a relação apresentada na Equação 13. 0,92 + Fe a = ; 0,015 Fe 0,75 (13) 0,05 O coeficiente b da Equação 9 é siplesente u parâetro de ajuste e não te significado físico, sendo considerado igual a zero e tendo a equação interseção na orige de coordenadas. Co as observações anteriores estaos prontos para fazer ua reescrita da relação apresentada na Equação 9. Desta fora, a Equação 14 apresenta ua relação ais geral entre o produto n S e o Fator de Foração na qual é levado e conta o efeito das udanças no teor de ferro do aterial de rejeito de inério de ferro. 0,92 Fe F = n 0,05 Fe + 0,2 0,5 S 0,223 (14) Esta relação é valida no intervalo de dados utilizados para sua elaboração: 0,015 Fe 0,75; 0,37 n 0,48; 0,90 S 0,0. A Equação 14 representa a influência do teor de ferro no coportaento da resistividade do rejeito de inério de ferro. 5. CONCLUSÕES A resistividade elétrica dos solos granulares é ua iportante ferraenta que pode ser epregada na avaliação das propriedades dos depósitos hidráulicos de rejeito de inério de ferro. Neste trabalho foi possível avaliar a influência do grau de saturação, da porosidade e do teor de ferro na variação da resistividade elétrica de rejeito de inério de ferro. Estudos ais detalhados e ua capanha ais apla de ensaios de laboratório peritirão u elhor entendiento de coo esta propriedade é influenciada por estas variáveis, possibilitando identificar claraente o peso do teor de ferro no coportaento do fator de foração, e assi, o eprego desta técnica na deterinação das propriedades geotécnicas dos rejeitos de inérios de ferro. AGRADECIMENTOS Os autores gostaria de registrar os seus agradecientos ao CNPq pelo suporte financeiro e à Universidade de Brasília pelo apoio logístico. REFERÊNCIAS Abrão, P.C. (1987). Sobre a Deposição de Rejeitos de Mineração no Brasil. Sipósio sobre Barragens de Rejeitos e Disposição de Resíduos Industriais e de Mineração, REGEO 87, Rio de Janeiro, RJ, pp Daniel, C. (1997). An Investigation of the Factors Affecting Bulk Soil Electrical Resistivity. The University of British Colubia. USA. 62 p. Espósito, T.J. (2000). Metodologia Probabilística e Observacional Aplicada a Barragens de Rejeito Construídas por Aterro Hidráulico. Tese de Doutorado. Departaento de Engenharia Civil e Abiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 363 p. Hernandez, H.M. (2002). Caracterização Geoecânica de Rejeitos de Minério de Ferro Aplicada a Barragens de Aterro Hidráulico. Dissertação de Mestrado. Departaento de Engenharia Civil e Abiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF., 174 p. Lopes, M.C.O. (2000). Disposição hidráulica de rejeitos arenosos e influência nos parâetros de resistência. Dissertação de Mestrado. Departaento de Engenharia Civil e Abiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 157 p. Ribeiro, L.F., Assis, A. e Espósito, T.J. (1998). Efeito das Variáveis de Deposição Hidráulica no Coportaento Geotécnico de Barragens de Rejeito. XI Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, COBRAMSEG, ABMS, Brasília, DF, pp Ribeiro, L.F. (2000). Siulação Física do Processo de Foração dos Aterros Hidráulicos Aplicado a Barragens de Rejeitos. Tese de Doutorado. Departaento de Engenharia Civil e Abiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 235 p. Sarria, A. (1996). Métodos Geofísicos co Aplicaciones a la Ingenieria Civil. Ediciones Uniandes, Santa Fe de Bogotá, DC, 371p. 6