SISTEMAS DE FILTRAÇÃO COM PRODUTOS SINTÉTICOS: MECANISMOS, CARACTERÍSTICAS E DIMENSIONAMENTO

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1 SISTEMAS DE FILTRAÇÃO COM PRODUTOS SINTÉTICOS: MECANISMOS, CARACTERÍSTICAS E DIMENSIONAMENTO D. C. Urashima Departamento de Engenharia Cívil - ITA D. M. Vidal Departamento de Engenharia Cívil - ITA RESUMO: A utilização de materiais poliméricos industrializados na engenharia geotécnica, em substituição aos materiais convencionais, cresceu acentuadamente nas últimas décadas. Uma das principais aplicações dos geotêxteis, em nosso país e no mundo, é como elemento filtrante, em substituição aos materiais granulares ou em situações onde os sistemas convencionais não poderiam ser adotados. Esta aplicação vem se estendendo também a um número crescente de obras de proteção ambiental. O trabalho tem como objetivo apresentar as considerações que devem ser feitas quando do dimensionamento destas obras, discutindo os mecanismos de filtração, as propriedades relevantes dos geotêxteis e critérios de dimensionamento. 1. INTRODUÇÃO Nas três últimas décadas, vem se expandindo a utilização de materiais sintéticos em substituição aos materiais convencionais, na engenharia geotécnica. O bom desempenho dos materiais sintéticos no sistema, a economia e facilidade de colocação que eles propiciam, fazem com que cada vez mais, eles sejam empregados. Uma das principais aplicações desses materiais, em nosso país e no mundo, é como elemento filtrante. Esta aplicação vem se estendendo também a um número crescente de obras de proteção ambiental, tanto em filtros permanentes quanto em casos de filtração de partículas em suspensão, que necessitam de substituição ou retrolavagem periódica ao longo da vida útil do sistema. De maneira conceitual, o dimensionamento de um filtro sintético não se diferencia de um filtro granular. Similar aos granulares, as mantas sintéticas têm poros (vazios) e filamentos ou fibras (partículas) e, em ambos os casos, o objetivo é permitir a passagem da água ao mesmo tempo que determinados diâmetros de partículas são retidas. Os filtros têxteis, porém, por serem produtos industrializados, apresentam facilidade em sua caracterização e permitem melhor controle de qualidade, em relação a filtros granulares. Motivadas pela boa atuação das mantas sintéticas sob diversas solicitações, várias pesquisas vem sendo realizadas para melhorar o conhecimento do comportamento desses materiais e das obras que os utilizam. Numerosos critérios de dimensionamento de filtros têxteis tem sido propostos nos últimos anos, não havendo até o momento uma analogia entre eles, pois, cada um deles leva em consideração diferentes efeitos, parâmetros e metodologias. Os métodos de dimensionamento de filtros, tanto granulares quanto sintéticos, usualmente empregados, empíricos ou semi-empíricos, são baseados na proposta de Terzaghi e na experiência dos autores que os propõem. Estes métodos até poderiam ser empregados no dimensionamento de filtros interagindo com 203

2 meio poroso, porém geralmente não se aplicam ao dimensionamento de casos onde ocorra filtração em suspensão. Urashima (1996) analisou o problema por meio de uma nova abordagem, em que se aplicam teorias probabilísticas, já então apontadas internacionalmente como um caminho promissor. Esta metodologia é particularmente importante para aplicação em obras ambientais, pois é a única que permite avaliar e fixar o nível de confiança de retenção da partícula e, uma vez estabelecida a espessura do filtro, pode-se verificar a probabilidade de passagem de cada partícula contida no intervalo granulométrico do material a filtrar (Urashima e Vidal, 1998a). Na situação de filtração em suspensão de material granular a teoria probabilística poderia ser diretamente empregada, visto que trata-se de material inerte e portanto o problema passa a ser puramente geométrico. Já no caso de materiais finos (argilas) temos que inserir na análise a existência da atração elétrica, desta forma a teoria probabilística para ser utilizada deveria ser adaptada, de modo a considerar a probabilidade de atração das partículas do material a ser filtrado pelos filamentos (fibras). O trabalho ora proposto apresenta as considerações que devem ser feitas no dimensionamento de filtros sintéticos, discutindo os mecanismos de filtração, as propriedades relevantes dos geotêxteis, critérios de dimensionamento e a possibilidade de se avaliar o comportamento do filtro na situação de filtração em suspensão por meio de técnicas de simulação. 2. MATERIAL SINTÉTICO UTILIZADO PARA FILTRAÇÃO Atualmente, existe uma grande variedade de produtos a disposição do projetista que pretende utilizar filtros sintéticos. Os geotêxteis são produtos têxteis permeáveis, utilizados predominantemente na engenharia geotécnica, principalmente como elemento filtrante. Os geotêxteis, além de se diferenciarem pelo modo como as fibras ou filamentos combinam-se para constituir a manta, apresentam características distintas, dependendo do material que lhes dá origem. Há dois tipos básicos de geotêxteis, ilustrados na Figura 1: tecidos, material oriundo do enlaçamento de fios, filamentos, laminetes ou outros componentes, não-tecidos: material composto por fibras ou filamentos, distribuídos aleatoriamente em um plano, e interligados por processos mecânicos, térmicos e/ou químicos. (a) (b) Figura 1- Principais tipos de geotêxteis: (a) geotêxtil tecido, (b) geotêxtil não-tecido agulhado. Os geotêxteis não-tecidos podem ter suas fibras ou filamentos interligados por: agulhagem (entrelaçamento mecânico das por meio de agulhas dentadas); termoligação (ligação através de fusão parcial por aquecimento) e resinagem (ligação por meio de produtos químicos). Os não-tecidos apresentam uma estrutura mais complexa que os tecidos, compondo-se 204

3 de forma tridimensional, possuindo um parâmetro complementar: a espessura. migração de partículas do meio base e o livre escoamento do fluido através do filtro. 3. MECANISMOS DE FILTRAÇÃO 3.1 Introdução Um grande número de trabalhos discute o mecanismo de filtração dos geotêxteis; entre uma série de artigos clássicos podemos citar Gourc et Faure (1990), Rollin e Lombard (1988), Rollin et al (1989). Fatores tais como a estrutura do geotêxtil, a estrutura do meio a filtrar e as condições de solicitação, influenciam o comportamento em filtração (Vidal e Urashima, 1999). Pode-se considerar dois tipos básicos de mecanismos de filtração através das mantas têxteis, em função das diferentes condições em que ocorram a interação solo-geotêxtil: filtração em meio poroso e filtração de partículas em suspensão. A Figura 2 ilustra algumas das aplicações voltadas à proteção ambiental. Como se pode observar temos casos de filtração de um meio poroso, de filtração de partículas em suspensão e problemas nos quais inicialmente a filtração é de partículas em suspensão e a primeira fase de deposição passa-se a uma situação de filtração de meio poroso. A filtração de resíduos ou rejeitos, considera situações complexas, tais como: filtração de partículas em suspensão, risco de colmatação química ou biológica (em aterros sanitários, por exemplo) e reações químicas alterando as propriedades do material a reter. Os sistemas de controle de erosão que se relacionam à proteção de encostas também podem apresentar situação de partículas em suspensão, nos quais o dimensionamento do filtro é de especial importância. Neste caso o problema é mais complexo pois o fluxo pode estar paralelo ao filtro ou atravessá-lo nos dois sentidos, podendo-se ter ainda o efeito dinâmico das ondas. 3.2 Filtração em Meio Poroso Consiste na instalação da manta entre o material a filtrar e o material drenante, permitindo, simultaneamente, a prevenção da Partículas em suspensão (a) retenção de partículas carredas pela chuva ou produto de lavagem. resíduo (b) filtração de resíduos industriais granulares. sedimento filtro filtro (c) lagoas de sedimentação. (d) proteção de margens. Material depositado dreno filtro dreno Figura 2- Exemplos de aplicação de filtros têxteis em obras de proteção ambiental. 205

4 A ação de um gradiente hidráulico provoca um fluxo que pode carrear algumas partículas através do meio poroso e eventualmente do filtro, o que induz a um rearranjo destas partículas. A adequada interação meio poroso/ geotêxtil/meio drenante, dependerá das condições de fluxo, sentido do fluxo (único ou reverso) e do gradiente hidráulico. No caso de fluxo em sentido único e meio poroso bem graduado, o geotêxtil não será o único responsável pela filtração, mas sim o elemento que desencadeará a formação de préfiltro. Quando se utiliza um geotêxtil não-tecido, nesta condição de fluxo, como elemento filtrante, a manta reterá as partículas, segundo uma seleção natural; ou seja, as primeiras partículas finas atravessam a manta no início do processo, porém gradualmente vai ocorrendo a formação do pré-filtro, que acontece devido a dois mecanismos: formação reticulada em arco e formação reticulada em abóboda. A situação de pré-filtro é representada na Figura 3. No caso de fluxo reverso, solos uniformes ou de granulometria descontínua, freqüentes em obras de proteção ambiental, fica difícil a formação de um pré-filtro, tornando-se indispensável que o filtro tenha boa capacidade de retenção de partículas finas. em contato e não existe nenhuma estrutura rígida organizada, é filtrado. Para a retenção da maioria das partículas em suspensão, a manta deve ser colocada transversalmente ao fluxo. Tal mecanismo de filtração ocorre em algumas aplicações, por exemplo, filtração de água em estações de tratamento e filtração de rejeitos. Estes tipos de filtros requerem troca ou manutenção periódica durante a vida útil do sistema. A filtração de partículas em suspensão é um problema crítico, pois, conforme pode-se observar na Figura 4, devido a perda de carga que ocorre quando a partícula carreada encontra o filtro, ela tende a se depositar em sua superfície, o que ocorre mesmo para partículas muito pequenas, bem menores que a abertura de filtração do elemento filtrante. O comportamento de um sistema de filtração de partículas em suspensão pode variar de acordo com o tipo de material. No caso de solo granular, as partículas retidas podem formar uma camada de material ainda permeável, em fenômeno equivalente ao aumento da espessura do filtro; já para solo coesivo, o problema da colmatação passa a ter enorme importância. A colmatação ocorre quando as partículas carreadas pelo fluxo são depositadas na interface do filtro ou movidas para o interior do mesmo, constituindo desta forma uma zona de menor permeabilidade do que na região de fluxo livre anterior ao filtro. Ou seja, a colmatação é provocada pelo depósito de uma camada pouco permeável a montante do filtro, esta camada é constituída por partículas finas bloqueadas pelo filtro. A estimativa do tempo de troca ou de retrolavagem destes sistemas poderia ser feita utilizando-se técnicas de simulação. Figura 3- Formação de pré-filtro em materiais bem graduados (adaptada de Koerner, 1998). 3.3 Filtração de Partículas em Suspensão É a situação em que um fluído contendo partículas em suspensão, cujos grãos não estão PROPRIEDADES 4.1 Características do Produto A adequada utilização das mantas sintéticas exige o conhecimento de propriedades essenciais à caracterização do produto, ao controle de qualidade e à avaliação do seu comportamento em determinadas condições de solicitação.

5 Além das características mecânicas que garantem a sobrevivência aos esforços de instalação e resistência às solicitações durante a vida útil da obra, no caso de projetos de sistemas filtrantes torna-se necessário o estudo e conhecimento das propriedades hidráulicas dos geotêxteis, definidas pela: Permeabilidade normal à manta: permissividade; Permeabilidade no plano da manta: transmissividade; Porometria: abertura de filtração O parâmetro estrutural do geotêxtil que mais interessa para avaliar a sua utilização como filtro relaciona-se com os seus poros, ou seja, sua distribuição e forma. Usualmente, a porosidade é determinada para materiais com estrutura tridimensional, tal como os não-tecidos. Já nas estruturas mais simples como a dos tecidos, costuma-se trabalhar com a porcentagem de superfície aberta para fluxo de líquido, referida como porcentagem de área aberta. Diferentes técnicas têm sido desenvolvidas nas últimas três décadas com o propósito de permitir o conhecimento da porometria dos geotêxteis, sendo utilizados essencialmente três tipos de métodos: teóricos, medição indireta medição direta (Urashima et al, 1999). São considerados métodos de medição indireta os que se baseiam na análise das dimensões das partículas (ou material) que atravessam (penetram) os poros da manta. Normalmente fazem a determinação da abertura de filtração por meio de peneiramento, variando a metodologia entre peneiramento a seco, por via úmida ou hidrodinâmico. Um ensaio do tipo peneiramento por via úmida foi o adotado pela ISO (1999). Os métodos de medição direta prevêem a medida direta das dimensões dos poros. Os mais usados são a medição ótica direta e a análise de imagem. Foram também desenvolvidas várias modelizações teóricas para determinação da abertura de filtração, nos métodos teóricos enquadram-se diversos modelos matemáticos utilizados para prever a estrutura porométrica dos geotêxteis. Maiores detalhes sobre as técnicas para determinação das dimensões e da distribuição dos poros estão discutidas em Bathia et al (1994), Urashima (1996), Urashima e Vidal (1995,1997), por exemplo. 4.2 Simulação da Capacidade de Retenção da Manta A capacidade de retenção de partículas por meios filtrantes têxteis, também pode ser abordada por meio de simulação, para tanto, deve-se fazer o estudo da estrutura porométrica do geotêxtil por análise de imagens de microscópio das mantas têxteis. A análise é realizada utilizando técnicas de processamento digital de imagens, tais como limiarização da imagem, realce de contraste, leitura de pixels e classificação; permitindo verificar a existência ou não, de filamentos ou fibras, que possam vir a reter partículas com quaisquer diâmetro presentes no material de base. Esta abordagem elimina o problema de dever-se estabelecer a forma ou tamanho do poro existente na manta não-tecida. Para exemplificar de modo simples o processo de simulação, podemos considerar um tecido, onde existe uma única frente de confronto entre as partículas e o filtro. Neste Figura 4- Comparação da perda de carga nos casos de filtração em meio poroso e filtração em suspensão. 207

6 caso a simulação definirá imediatamente se a partícula passa ou fica retida. Em um nãotecido, além do confronto de superfície, a partícula enfrentará outros confrontos durante a passagem através da espessura da manta. Cada frente de confronto será representada por um banco de dados que conterá um arquivo de presença ou não de filamentos, realizado a partir de uma imagem processada, conforme descrito no item 4.3, escolhida aleatoriamente dentro de um conjunto de imagens representativas do geotêxtil em estudo. No estudo da retenção de partículas em filtros têxteis por meio de simulação, há também a necessidade de se definir as estatísticas de chegada de partículas, tanto para o caso de meio poroso interagindo com o sistema filtrante, quanto em situações onde ocorram partículas em suspensão. O material de base será representado por uma distribuição probabilística, e a escolha da distribuição a ser utilizada dependerá dos dados existentes. A simulação também deverá permitir a consideração do tipo e intensidade de fluxo existente no sistema, inclusive a situação de refluxo. como branco na imagem (poros) e, os menores como preto (filamentos), conforme Figura 7 e a partir desta faz-se a leitura dos pixels. Figura 6- Imagem de um determinado geotêxtil não-tecido ampliado 50 vezes. 4.3 Nova Abordagem sobre a Estrutura da Manta Para exemplificar a análise da estrutura do geotêxtil usando técnicas de processamento de imagens, pode-se utilizar imagens adquiridas a partir de fotos tiradas por meio de uma vídeo câmara CCD acoplada a um microscópio, e visualização em tempo real em um monitor SONY, conectado a um computador que permite a captura de imagens com o software Global Lab Image, a imagem adquirida de um geotêxtil não-tecido, por meio desta metodologia é representada na Figura 6. Como o objetivo da análise é separar as duas classes predominantes na imagem, filamentos e poros, a imagem selecionada é submetida a uma seqüência de procedimentos em processamento digital de imagens, para obtenção do resultado esperado, utilizando técnicas que se dividem em dois grupos principais: realce de imagem e classificação da mesma. A imagem resultante é limiarizada tornando-se uma imagem binária, ou seja, valores maiores ou iguais ao limiar, aparecem Figura 7- Imagem resultante do processo de limiarização. No conjunto solo-geotêxtil, as propriedades da manta virgem podem ser modificadas, seja pelo bloqueio de partículas em suas malhas, seja pela compressibilidade da mesma. Nestes casos aumenta a probabilidade de retenção de partículas e, geralmente, adota-se o comportamento do produto virgem a favor da segurança. Caso seja necessário considerar estes efeitos, pode-se valer de ensaios de filtração de longa duração ou de técnicas de simulação para a análise. 5. MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTOS Uma vez, conhecidas as propriedades necessárias para a concepção do projeto, deve- 208

7 se avaliar qual o método de dimensionamento que apresentará melhores resultados. Atualmente, existe um grande número de critérios propostos para o dimensionamento de filtros têxteis, apresentando diferentes considerações. Christopher e Fischer (1992), discutem a diversidade dos critérios propostos, baseados na relação: O n < x d m (1) sendo O n o diâmetro equivalente do poro do geotêxtil, tal que n % dos poros são menores que ele (geralmente representada pela abertura de filtração do geotêxtil), x um fator semiempírico estabelecido pelo autor da proposta e d n o diâmetro da partícula a reter tal que m% das partículas sejam menores que ela. Como os valores de abertura de filtração necessários ao dimensionamento são função do ensaio realizado para sua determinação, os critérios propostos devem indicar qual o método de ensaio a ele relacionado. A maioria dos métodos de dimensionamento de filtros, tanto granulares quanto sintéticos, usualmente empregados são, portanto, empíricos ou semi-empíricos, baseados na proposta de Terzaghi e na experiência dos autores que os propõem. Já o dimensionamento de filtros por meio de teoria probabilística permite a determinação racional da espessura necessária para que o filtro possa reter determinado diâmetro de partícula, desde que sejam conhecidos a curva de distribuição de poros do filtro e a distância média entre confrontos, este método de dimensionamento é particularmente importante para aplicação em obra ambientais, uma vez que possibilita a avaliação e fixação do nível de confiança de retenção de determinada partícula. Maiores detalhes sobre o dimensionamento e exemplos de cálculo estão em Urashima e Vidal (1998b). Além do dimensionamento probabilístico, pode-se fazer-se uso de técnicas de simulação para analisar o comportamento de sistemas filtrantes, pois embora a simulação seja um recurso dispendioso, situações que exijam controle minucioso ou em algumas situações de filtração de partículas em suspensão ela pode ser vantajosa. Neste último caso, ela torna possível avaliar, além da capacidade de retenção do filtro, a variação da permeabilidade do sistema filtro/material retido com o tempo, de modo que o projeto contemple a variação das perdas de carga impostas pelo sistema ao longo de sua vida útil, permitindo o conhecimento dos períodos de troca ou de retrolavagem dos filtros. 6 DISCUSSÕES O trabalho apresenta novas formas de abordar o problema de dimensionamento de filtros, particularmente útil no caso de situações onde ocorram partículas em suspensão, permitindo a previsão em projeto do período de troca ou lavagem do filtro, uma vez que a filtração de partículas em suspensão tende a colmatar o filtro. Este problema tornase extremamente grave no caso da filtração de partículas muito finas (argilas ou siltes) que poderiam reduzir a permeabilidade do sistema a ponto de necessitar manutenção muito freqüente. A utilização das técnicas de processamento digital de imagens para auxílio na avaliação da capacidade de retenção de partículas por meio de filtros têxteis parece ser um caminho promissor e rápido para uso em modelos de simulação para o estudo do comportamento do meio filtrante. 7. AGRADECIMENTOS A Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo, FAPESP, pelo suporte financeiro, viabilizando o andamento desta pesquisa. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bhatia, S.K.; Smith, J.L.; Christopher, B.R. (1994) Interrelationship between pore openings of geotextiles and methods of evaluation, Fith International Conference on Geotextile, Geomembranes and Related Products, Singapore, pp Christopher, B. R.; Holtz, R. D.; Fischer, G. D. (1993) Research needs geotextile filter 209

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