CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO

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1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO Os resíduos sólidos urbanos gerados por atividades domésticas, comerciais e industriais, merecem uma atenção especial, por seu volume e potencial de contaminação, precisando técnicas de tratamento adequadas. A contaminação ambiental devida aos resíduos eliminados ou depositados incorretamente é um problema que pode afetar, consideravelmente, a qualidade de vida no planeta. A disposição dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) em aterros sanitários é um dos métodos mais utilizados mundialmente, facilitando o controle dos problemas ambientais, além de oferecer vantagens econômicas. A determinação de parâmetros de compressibilidade do RSU ajuda a prever os recalques em um aterro sanitário, permitindo estimar o tempo em que estes podem ocorrer, assim como a utilidade máxima de operação que se pode dar ao aterro de acordo com o volume projetado de operação ESCOPO DA PESQUISA Para o desenvolvimento desta pesquisa, foi proposto como objetivo geral estudar os aspectos da compressibilidade dos resíduos sólidos urbanos em aterros sanitários. Para que fosse possível atender a este objetivo proposto, previamente teve-se que cumprir os seguintes objetivos específicos: revisão bibliográfica sobre os tópicos envolvidos; 1

2 a partir dos dados registrados de recalques de três células experimentais (CEL-1, CEL-4, CEL-5), foram avaliados diferentes modelos de estimativa de recalques para aterros sanitários. Alem disso, alguns destes modelos foram avaliados também, para os aterros Bandeirantes (São Paulo-Brasil) e Meruelo (Cantabria-España). na célula experimental CEL-1, cuja idade aproximada é de 4 anos, foram feitos alguns ensaios de caracterização dos resíduos sólidos urbanos (RSU), tais como determinação da densidade de campo, gravimetria, distribuição e tamanho das partículas dos RSU, assim como medição da temperatura e ph in-situ. foi desenvolvida uma célula de compressão uniaxial de grandes dimensões (diâmetro interno igual,4 m e altura igual,4m), com a finalidade de fazer em laboratório ensaios de compressibilidade de resíduos sólidos urbanos (RSU). a partir de amostras de RSU coletadas na célula experimental CEL-1, foram feitos no laboratório ensaios de compressibilidade. com a finalidade de melhor entender os processos da compressibilidade que afetam uma camada de RSU devido à superposição de carregamentos posteriores, foi aplicada uma carga de 18 kpa na superfície da célula experimental CEL-1 para avaliar seu comportamento em face de um recarregamento SINOPSE DA PESQUISA O Capítulo 1 apresenta-se os objetivos e justificativa ao respeito da presente dissertação. No Capítulo 2, discorre-se sobre os conceitos e características principais dos resíduos sólidos depositados em aterros sanitários, em particular sobre a compressibilidade destes maciços. Comenta-se no capítulo 3, os procedimentos feitos para elaboração desta pesquisa, como coleta e caracterização dos resíduos sólidos urbanos (RSU), recopilação dos dados de recalques de células experimentais, aplicação de um carregamento sobre a célula experimental CEL-1 e finalmente a execução de ensaios de compressão confinada em laboratório. 2

3 No capítulo 4, são apresentados os resultados e análises dos ensaios de compressão confinada. No capítulo 5, apresenta-se os resultados da aplicação de cinco modelos de estimativa de recalques em resíduos sólidos urbanos. A partir da aplicação da sobrecarga sobre a célula experimental 1, o capítulo 6, apresenta os resultados e, avalia-se o comportamento dos recalques na fase de recarregamento. Em vista que os modelos de previsão de recalques, tem sido propostos para condições reais dos aterros sanitários urbanos, no capítulo 7, são avaliados os melhores modelos encontrados nesta pesquisa, para o caso dos aterros Bandeirantes (Brasil) e Meruelo (Espanha). Finalizando a dissertação, no Capítulo 8, apresenta-se as conclusões sobre o trabalho e recomendações para futuras pesquisas em temas afins. 3

4 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Para o melhor entendimento deste trabalho, apresenta-se a seguir uma revisão dos principais conceitos, propriedades e estudos relacionados aos resíduos sólidos urbanos e sua disposição em aterros sanitários. Atendendo aos objetivos, apresenta-se também, uma revisão bibliográfica sobre as principais propriedades dos maciços de RSU, mecanismos e fenômenos que controlam a geração dos recalques nos aterros sanitários. Alem disso, são apresentados alguns modelos de estimativa de recalques RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS Definição Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT (NBR-8419), os resíduos sólidos urbanos são aqueles gerados num aglomerado urbano, excetuados os resíduos industriais perigosos, hospitalares sépticos e de aeroportos e portos. À continuação, segundo a ABNT, são classificados e definidos outros tipos de resíduos : - Resíduos industriais perigosos: todos os resíduos sólidos, semi-sólidos e os líquidos não passíveis de tratamento convencional, resultantes da atividade industrial e do tratamento de seus efluentes que, por suas características, apresentam periculosidade efetiva ou potencial à saúde humana ou ao meio ambiente, requerendo cuidados especiais quanto ao acondicionamento, coleta, transporte, armazenamento, tratamento e disposição. - Resíduos industriais comuns: resíduos sólidos e semi-sólidos industriais que admitem destinação similar à dos resíduos sólidos urbanos. 4

5 - Resíduos hospitalares sépticos: resíduos sólidos hospitalares que requerem condições especiais quanto ao acondicionamento, coleta, transporte e disposição final por apresentarem periculosidade real ou potencial à saúde humana. - Resíduos hospitalares assépticos: resíduos hospitalares que admitem destinação similar à dos resíduos sólidos urbanos. - Resíduos de aeroportos: resíduos provenientes de aeronaves e aeroportos. - Resíduos de portos: resíduos sólidos provenientes de navios e portos METODO DE DISPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS EM ATERROS SANITÁRIOS Definição e características de aterros sanitários A Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT (NBR 8419), define um aterro sanitário como uma técnica de disposição de resíduos sólidos urbanos no solo, sem causar danos à saúde pública e à sua segurança, minimizando os impactos ambientais. Este método utiliza os princípios de engenharia para confinar os resíduos sólidos à menor área possível e reduzi-los ao menor volume permissível, cobrindo-os com uma camada de terra na conclusão de cada jornada de trabalho, ou a intervalos menores, se necessário. Antes de se projetar um aterro, são realizados estudos geológicos e topográficos, hidrogeologicos e geotécnicos para selecionar a área a ser destinada para sua instalação de maneira que não comprometa o meio ambiente. É feita, inicialmente, impermeabilização do solo através de combinação de argila e quando é necessária manta plástica para evitar infiltração dos líquidos percolados no solo. Os líquidos percolados são captados através de tubulações e escoados para sistemas de tratamento. Para evitar o excesso de águas de chuva, são executados drenos ao redor do aterro, para permitir o desvio dessas águas (drenagem pluvial). 5

6 A quantidade de lixo depositada é controlada na entrada do aterro com uso de balança. Os gases liberados durante a decomposição são captados e podem ser queimados com sistema de purificação de ar ou ainda utilizados como fonte de energia (aterros energéticos) Aterros sanitários no Brasil A última pesquisa nacional sobre saneamento básico, realizado pelo IBGE em 2, indicou uma situação de destinação final do lixo coletado no País, em peso com, bastante melhora em relação aos aterros sanitários, com estes atendendo uma percentual significativa de 47,1%. Outra melhora percebida foi o crescimento da utilização de aterros controlados (22,3 %), que é uma técnica de aterramento de engenharia para confinar o lixo, cobrindo-o com uma camada de material inerte na conclusão de cada jornada de trabalho. Deve-se observar que o aterro controlado, não substitui o aterro sanitário, já que geralmente não dispõe de impermeabilização na base (comprometendo a qualidade das águas subterrâneas), nem sistema de tratamento de chorume ou de dispersão dos gases gerados. Finalmente 3,5% do lixo total gerado são depositados em lixões, o qual consiste em descarregar os resíduos sobre o solo e sem nenhuma medida de proteção ao meio ambiente e saúde pública. Somando as cifras de destinação final do lixo em aterros sanitários e aterros controlados, pode-se afirmar que mais de 69% de todo o lixo coletado no Brasil estaria tendo um destino final aceitável. Todavia, em número de municípios, não houve uma melhora adequada: 63,6% utilizam lixões e 32,2%, aterros adequados (13,8% sanitários, 18,4% aterros, controlados), sendo que 5% não informaram para onde vão seus resíduos (PNSB, 2). Por outro lado, segundo o PNSB (2), dos 5.57 municípios brasileiros, 73,1% tem população inferior a 2. habitantes. Nesses municípios, 68,5% dos resíduos gerados são depositados em locais inadequados. Se tomamos, entretanto, como referencia, a quantidade de lixo gerada por estes municípios, em relação ao total da produção brasileira, em conjunto coletam somente o 12,8 % do total brasileiro. As Figuras 2.1 e 2.2 apresentam-se as destinações finais dos resíduos sólidos no Brasil, considerando o percentual por quantidade (em peso) dos resíduos (Figura 2.1) e o percentual pelo número de municípios (Figura 2.2). 6

7 Aterros sanitários Aterros controlados Lixôes 3,5% 47,1% 22,3% Figura 2.1 Destinação final dos resíduos em peso no Brasil segundo PNSB-2 Aterros sanitários Aterros controlados Lixôes 63,6% 13,8% 18,4% Figura 2.2 Destinação final dos resíduos por número de municípios no Brasil segundo PNSB-2 7

8 2.3 - PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS Os aterros sanitários são obras de engenharia e podem ser tratados como maciços com algum grau de compactação. Ao contrário de outros maciços compactados, caracterizam-se por formar um maciço heterogêneo e poroso com comportamento peculiar, constituído por diferentes tipos de resíduos (metais, plásticos, papéis, vidros, madeiras, têxteis, resíduos orgânicos, pedras, solos, etc.). Portanto cada elemento dos resíduos sólidos urbanos caracteriza-se por ter formas e dimensões diferentes. Cada um desses componentes possui natureza e comportamento mecânico diferente. Dentro das principais propriedades físicas dos resíduos sólidos urbanos, pode-se citar o teor de umidade, peso específico, composição e conteúdo orgânico, distribuição do tamanho das partículas, as quais serão comentadas a seguir: Composição e conteúdo orgânico A composição física dos resíduos sólidos, varia bastante de uma região para outra e, em geral, está relacionada com os níveis de desenvolvimento econômico, tecnológico, sanitário e cultural das mesmas (Santos & Presa, 1995). Os resíduos sólidos urbanos em um aterro sanitário, caracterizam-se por serem formados por três fases: sólida, líquida e gasosa (Grisolia & Napoleoni, 1996). Num primeiro momento, tem-se o predomínio da parte sólida, após algum tempo, devido aos processos de biodegradação, destacam-se as fases líquida (chorume) e gasosa (gás metano e outros). Essas duas últimas fases estão relacionadas aos processos de decomposição do resíduo ao longo do tempo, os quais estão diretamente associados ao teor de umidade, conteúdo orgânico do RSU e condições climáticas. Segundo Grisolia & Napoleoni (1996), a fase sólida dos RSU pode ser dividida em três categorias: materiais inertes estáveis, materiais altamente deformáveis e materiais orgânicos biodegradáveis. Os materiais inertes (vidros, metais, cerâmicas, solos, cinzas, resto de demolição, etc) apresentam comportamento mecânico semelhante aos solos granulares e desenvolvem forças de atrito entre as partículas. A segunda categoria inclui os plásticos, papéis, têxteis e borracha, os quais apresentam alta deformabilidade e possibilidade de 8

9 absorver ou incorporar fluidos no interior da sua estrutura. Quando submetidos a um carregamento, esses materiais sofrem grandes deformações inicias com mudança da sua forma original, além disso, a longo prazo podem apresentar deformações de natureza viscosa. Finalmente a categoria dos materiais orgânicos biodegradáveis, constituída por resíduos de poda e restos alimentares passa por significantes transformações físico-químicas a curtoprazo, acompanhadas pela produção de líquidos e gases (neste trabalho se discute e não se concorda que as transformações físico-químicas, ocorram a curto prazo). Sowers, (1973) apresenta as principais características e porcentagens típicas de cada constituinte dos resíduos sólidos urbanos, (Tabela 2.1). Como resultado da recopilação de informação de outros autores, mostra-se na Tabela 2.2, a composição dos resíduos sólidos urbanos para algumas cidades do Brasil. Tabela 2.1 Porcentagens e principais características dos componentes do RSU (Sowers 1973) Material Percentagem (em peso) Características Resíduos orgânicos 1-2 Úmido, fermenta e degrada rapidamente, compressível, fraco Papel e pano 1-4 Seco a úmido, degrada e queima, compressível Resíduos de poda 1-2 Úmido, fermenta, degrada e queima Plásticos 1-2 Seco, compressível, resistente a degradação mas pode queimar. Instrumento de metal 5-15 Seco, corrosível e triturável. Metal maciço 1 Seco, levemente corrosível e rígido Borracha 5-1 Seco, elástico, queimável, compressível, resistente à degradação. Vidro 5-15 Seco,triturável e compressível, resistente à degradação. Madeira de demolição -5 Seco, triturável, compressível, degrada e queima. Entulho -1 Úmido, triturável, erodível, resistente à degradação. Cinzas e escorias -5 Úmido, compressível, quimicamente ativo e parcialmente solúvel. 9

10 Tabela 2.2 Composição gravimétrica em percentagem do peso total dos RSU Componentes Gama-DF (1) Sobradinho- DF (1) Salvador (2) São Paulo (1993) (3) Muribeca (Pernambuco) (4) Matéria 47,5 46,6 69,6 64,4 6 Orgânica papel 25,2 2 16,5 14,4 15 Plástico 17,6 21,3 9, metais 4,14 3,1 1,7 3,2 2 outros 5,6 9, 2,5 5,6 15 (1) Junqueira et. al. (1997) (2) Santos & Presa (1995) (3) IPT (1998) (4) Jucá (23) em diversas cidades do Brasil Distribuição e tamanho das partículas A distribuição e tamanho das partículas do RSU, têm grandes variações em função do tipo do lixo produzido e do local de produção. Devido a essa grande variedade do tamanho das partículas presentes no RSU, é quase impossível a análise do tamanho das partículas com os métodos aplicados a solos. Gabr & Valero (1995), fizeram no laboratório, análises granulométricas por peneiramento mecânico (ASTM), assim como ensaios de sedimentação (passantes na peneira 2), trabalhando com partículas menores que 9,5 mm. Na Figura 2.3 observa-se o gráfico de distribuição granulométrica apresentada por estes autores. Ensaios de distribuição do tamanho das partículas para o RSU do aterro Bandeirantes, idade do lixo superior a 15 anos, foram executados por Carvalho (1999) através de uma série de peneiras pré-selecionadas (2, 1 1/2, 1, 5/8, 4,76 mm, 2, mm e,59 mm) e a medida direta de componentes com dimensões maiores de 2. 1

11 Figura 2.3 Tamanho e distribuição das partículas usando amostras secas e úmidas (Gabr & Valero 1995). Marton (1998), fez uma análise de granulometria média para o lixo do aterro Jóquei Clube, com idade superior a 1 anos. O lixo estudado possuía o plástico como principal componente encontrado nas classes de maior diâmetro, principalmente em função do longo período necessário a sua decomposição. Na tabela 2.1 mostra-se a relação granulométrica apresentada por este autor. Tabela 2.3 Granulometria média do lixo do aterro Jókei Clube (Marton 1998) Diâmetro (mm) Porcentagem do peso total (%) < 25 21, , , ,4 > 6 32,6 11

12 Peso específico Num aterro sanitário o peso específico e o índice de vazios do maciço de RSU, variam com o tipo de resíduo, composição, profundidade, método de compactação e taxa de decomposição da matéria orgânica, entre outros fatores (Ling et al, 1998). Yen & Scanlon, 1975, para o caso de três aterros sanitários construídos, dois com espessura de 6,1 m (,65 m de camada de cobertura) e o terceiro com espessura de 1,5 m (,3 m de cobertura), compactados na superfície com Bulldozers D-8, obtiveram uma massa específica média de 6,3 kn/m 3. Edil et al (1991) estima para o caso do aterro de Wisconsin-EUAU (idade dos resíduos entre e 4 anos), um peso específico dos RSU de 1,7 kn/m 3. Sanchez- Alciturri (1995), para o caso do aterro sanitário de Meruelo (Espanha) apresenta um peso específico de 12 kn/m 3 (combinado entre lixo e solo). Merz & Stone (1962), apresentam um peso específico seco do RSU entre 3 e 6,8 kn/m 3 para o caso do aterro sanitário de Spadra-II (EUAU). Um alto peso específico inicial (associado a uma maior compactação), reduz tanto o recalque final como também as taxas de recalques primários e secundários (El-fadel & Khory, 2). Segundo Palma (1995), o aumento do peso especifico inicial dos RSU (compactação), tem como principal vantagem um maior aproveitamento da capacidade do aterro sanitário. Santos & Pressa (1995), apresentam as seguintes faixas de valores de pesos específicos os quais têm sido referidos na literatura: Resíduo solto = 1,5 a 3,5 kn/m 3 Resíduo medianamente denso = 3,5 a 6,5 kn/m 3 Resíduo denso = 6,5 a 12 kn/m 3 Naturalmente, esses parâmetros vão-se alterando com o passar do tempo, em decorrência da decomposição do RSU Teor de umidade A heterogeneidade dos RSU num aterro sanitário produz zonas de variados teores de umidade, em geral, com uma tendência de aumentar com a profundidade. O teor de umidade 12

13 varia de, aproximadamente, 3 % a 13 % perto da superfície (Gabr & Valero 1995). O teor de umidade depende da composição inicial do material, das condições climáticas locais, do processo de operação dos aterros, da taxa de decomposição biológica, da capacidade e funcionamento dos sistemas de coleta de líquidos percolados e do sistema de cobertura (Carvalho, 1999). Todos os autores consultados concordam que a umidade é um fator importante para que aconteça a decomposição da matéria orgânica e por tanto acelerar os recalques. (Dean & Zeiss, 1995; Pressa, 1982; Coumulos & Koryalos, 1997; Boscov & Abreu, 2; Ling & Kawabato, 1998 e El-Fedel & Khoury, 2) MECANISMOS DE RECALQUES A compressão de maciços sanitários é o resultado dos processos de carregamento e alterações das características e propriedades dos materiais componentes do maciço de RSU, correspondentes à solicitação mecânica imposta por camadas superiores, ravinamento interno, alterações físico-químicas, biodegradação e atividade microbiológica (Van Meerten et al., 1995). El-fadel & Khory (2), baseados na proposta original de Sowers, mencionam que os mecanismos que governam os recalques nos aterros sanitários de RSU, tem sido definidos como: mecânico, ravinamento, mudança das propriedades físicas, decomposição biológica e iterações entre estes mecanismos. Os autores caracterizam estes mecanismos da seguinte forma: Mecânico - depois da aplicação da carga, as partículas do resíduo sofrem uma distorção, dobramento, trituração e são reorientadas por si mesmas, para melhor acomodação, formando situações de novos esforços de deformação mecânica. Sendo este processo similar a compressibilidade de solos não orgânicos. Ravinamento - devido à ampla margem de variação dos tamanhos das partículas do RSU, as partículas menores podem tender a movimentar-se 13

14 dentro dos vazios das partículas maiores, provocando recalques adicionais especialmente durante a compactação. Mudanças das propriedades físicas correspondem aos fenômenos físicos que acontecem no RSU tais como corrosão, oxidação e/ou combustão do material do resíduo sólido. Processos biológicos devido aos processos de decomposição biológica, aeróbia e anaeróbia, os quais geram uma perda de massa do maciço de RSU. Processos de interação entre os mecanismos já mencionados, podem causar ainda mais recalques, tais como quando o metano e o calor liberado da degradação aumenta mais a combustão, ou quando a consolidação aciona o ravinamento. Muitos dos autores que tentam explicar os mecanismos que governam os recalques, de forma direta ou indiretamente, referem-se aos processos acima mencionados, Santos & Presa (1995), Boscov & Abreu (2), Yen & Scanlon (1975), Ling et al (1998), Edil et al (199) FATORES QUE AFETAM A MAGNITUDE E TAXA DE RECALQUES NOS ATERROS SANITÁRIOS Os fatores que afetam a magnitude e taxa de recalques num aterro sanitário são variados e múltiplos. E além de afetar as propriedades da compressibilidade do maciço podem afetar outras propriedades mecânicas, como por exemplo a resistência ao cisalhamento. É reconhecido que o comportamento dos recalques num aterro sanitário depende de um número de fatores, tais como, composição inicial do RSU, peso específico inicial e teor de umidade, flutuação do nível do chorume, geração e coleta de gás, velocidade de construção do aterro e idade do aterro (Coumoulos & Koryalos 1997), (Watts et al. 1999), condicionantes ambientais (clima e pluviometría). 14

15 Segundo El-fadel & Khoury (2), a taxa de recalques num aterro sanitário depende principalmente da composição do RSU, processo operacional do aterro sanitário, fatores que afetam a biodegradação do RSU dentro do aterro (acidez, temperatura e particularmente o teor de umidade). Quanto às taxas de recalque, usualmente são decrescentes com o tempo, tendose taxas de recalques que podem incrementar num estágio posterior devido a atividade biológica. Esses autores na Tabela 2.4, apresentam e explicam os fatores que afetam a magnitude e taxa de recalque num aterro sanitário. TABELA 2.4 Fatores que afetam a magnitude e taxa de recalques dos RSU (El-Fadel & Khoury, 2). fator Índice de vazios inicial do RSU Composição Espessura do aterro Aplicação de tensões e historia de tensões Condições ambientais Comentários Densidades iniciais maiores (associado a compactações maiores) reduzem tanto o recalque último como também as taxas de recalque primário e secundário. A compressibilidade do RSU aumenta com o incremento da quantidade de materiais com propriedades de se decompor Aterros profundos mostram taxas maiores de recalques. Embora a uma determinada espessura máxima, não são observados incrementos de recalques adicionais, podendo ser o resultado de que o processo da biodegradação chega ser a mais lento. A compressibilidade primária e secundária para solos decresce com a aplicação do incremento das tensões; alguns mecanismos como creep e dissipação de tensões são afetados pela taxa de incremento de carga. Os resíduos expostos a condições favoráveis à decomposição, usualmente, exibem um incremento no comportamento da compressibilidade secundária, sendo contrário para o caso dos resíduos que apresentam condições desfavoráveis à decomposição MODELOS PROPOSTOS PARA PREVISÃO DE RECALQUES Os resíduos sólidos urbanos (RSU) depositados num aterro sanitário sofrem recalques consideráveis, gerando assim uma diminuição de volume e a capacidade do aterro aumenta. A importância de quantificar os recalques que são produzidos, o tempo no qual estes se produzirão e seu ritmo de ocorrência, deve-se ao aproveitamento que se pode fazer da capacidade real do aterro sanitário, portanto interessa realizar estas previsões desde a fase de 15

16 projeto. Também, depois do fechamento dos aterros existe o interesse pela reutilização destas áreas, especialmente nas cidades que apresentam um processo acelerado de desenvolvimento e expansão urbana. Os recalques nos aterros sanitários podem continuar por um longo período de tempo, chegando ao recalque final de 3 a 4% da espessura inicial do aterro (Ling et al 1998). Segundo Coumoulos & Koryalos (1997), usualmente o recalque num aterro sanitário pode alcançar 2 a 25 % da espessura inicial do maciço em um período de 15 a 2 anos. Segundo Carvalho (1999), os recalques nos aterros sanitários são normalmente irregulares, sendo no período inicial (1 a 2 meses após finalizada a construção), bastante intensos. Em seguida continuam a ocorrer por um longo período, porém com velocidade menor. Este fato é comprovado por Gandolla et al. (1994), apresentando resultados de ensaios em colunas drenadas de grande diâmetro, como se observa na Figura 2.4. Mariano (1999) apresenta também velocidades de recalque para o caso do aterro Muribeca (Célula 1), sendo registradas estas velocidades a partir da colocação da camada de cobertura. Esta autora explica que as velocidades iniciais são maiores devido à aplicação da camada de cobertura e posteriormente vão diminuindo com uma tendência a manter-se constantes (Figura 2.5). Figura 2.4 Variação recalque x tempo (Gandolla et al 1994, apud Mariano, 1999) 16

17 Figura 2.5 Velocidade de recalque da célula 1, aterro Muribeca (Mariano, 1999) De acordo com a maioria dos autores, os recalques nos aterros sanitários, independentes de seus mecanismos, podem ser divididos em três fases ao longo do tempo, à semelhança dos solos: fase de compressão inicial, fase de compressão primária e fase de compressão secundária (Wall & Zeiss 1995), (El-Fadel & Khory 2): Compressão inicial: a qual é virtualmente instantânea, é definida como sendo o recalque que acontece diretamente quando a carga externa é aplicada sobre o maciço sanitário. Este processo geralmente está associado com a redução dos espaços vazios entre partículas e do tamanho das partículas devido a uma carga imposta (El-Fadel & Khoury 2). Este tipo de recalque é análogo à compressão imediata que ocorre em solos e é instantâneo (Wall & Zeiss 1995). Segundo estes últimos autores mencionados, a partir das medidas de recalques instantâneos, se podem determinar valores de módulo de elasticidade para RSU usando a seguinte formulação: Es = Δq Ho/Si (2.1) Es = Modulo de elasticidade; Δq = incremento de carga vertical sobre o maciço; Ho = espessura inicial do maciço de RSU; Si = Recalque devido à compressão inicial; 17

18 Compressão primária : corresponde ao recalque devido a dissipação de poropressões e gás dos espaços vazios. Em geral, este processo ocorre dentro de 3 dias após a colocação da carga final (Sowers 1973 apud Wall et al 1995). Entretanto, existem indicações que os processos de dissipação podem não ser responsáveis pelos recalques primários nos aterros sanitários. Primeiro, os resíduos sólidos nos aterros sanitários raramente encontram-se saturados, devido ao uso de camada de cobertura que inibe a entrada de água para o aterro. Em segundo lugar, a permeabilidade dos resíduos sólidos tem sido caracterizada como sendo da ordem de magnitude das areias e pedregulhos, por isso, a poro-pressão de água não deveria desenvolver-se, pois o líquido pode rapidamente escapar da massa de lixo do aterro (El-Fadel & Khoury 2), (Wall & Zeiss 1995). O parâmetro que identifica esta fase, é o índice de compressão primária (C C ), o qual resulta ser a inclinação do trecho virgem da curva de compressibilidade. Na figura 2.6, apresenta-se de forma esquemática a determinação de Cc. Figura 2.6 Curva de compressibilidade, definição do índice de compressão primária. Compressão secundária : Recalque correspondente ao creep, deformação lenta dos componentes dos RSU e degradação biológica. Em geral, a compressão secundária é a responsável pela maior parcela dos recalques nos aterros sanitários e podem ocorrer por muitos anos (décadas). Estes recalques significativos, são devidos principalmente à decomposição do RSU; ocorrem gradualmente por muitos anos após o fechamento do aterro em contínuo 18

19 decréscimo da taxa de recalques (El-Fadel & Khoury 2). Segundo estes autores os recalques efetivos devido só à decomposição biológica podem alcançar uma média de 15% da espessura original do aterro.coduto & Huitric (199), afirma que os recalques devido à decomposição biológica (biodegradação) podem variar entre 18% e 24% da espessura inicial do maciço. Sowers (1973) atribui aos recalques secundários a combinação de mecanismos de compressão secundária, ação física e decomposição biológica, e conclui que o índice de compressão secundária (C S ) é proporcional ao índice de vazios. Na Figura seguinte, apresenta de forma esquemática a determinação de C S. Figura 2.7 Curva e vs t, definição do índice de compressão secundária. Segundo Bjarngard & Edgers (199), os recalques secundários estão divididos em dois trechos, apresentando inclinações diferentes na curva logarítmica do tempo. Segundo esses autores, a mudança das deformações com o logaritmo do tempo pode ser atribuída aos processos de degradação físico-química e biodegradação dos resíduos, os quais começam a ocorrer após algum tempo de disposição. Assim as deformações no primeiro trecho são atribuídas às iterações mecânicas e aos fenômenos de creep e no segundo trecho, tem-se a ação conjunta das deformações devido aos fenômenos de creep e às resultantes dos processos de degradação do resíduo. Na Figura 2.8, apresenta-se de forma esquemática a proposta desses autores. 19

20 Tempo (log) Compressão primária (inclui a compressão imediata) Compressão secundária intermediária Compressão secundária ao longo do tempo Figura 2.8 Comportamento dos resíduos sólidos urbanos, segundo Bjarngard & Edgers (199). Alguns autores tem utilizado os conceitos da teoria clássica de adensamento para solos (teoria de Terzaghi), com a finalidade de avaliar a compressibilidade dos resíduos sólidos urbanos. A dificuldade de utilizar essa teoria está em determinar os parâmetros Cc (índice de compressão primária), Cs (índice de compressão secundária), e (índice vazios), os quais são requeridos na análise. Algumas observações das propriedades mecânicas dos RSU em relação à teoria clássica de Terzaghi aplicada para solos, são apresentadas na seguinte tabela: Tabela 2.5 Hipóteses básicas da teoria clássica de Terzaghi e sua aplicabilidade em aterros sanitários (El-fadel & Khoury 2). Hipóteses O solo é homogêneo e saturado As partículas do solo e a água são incompressíveis. O recalque é unidimensional O fluxo dos fluidos segue a lei de Darcy, e o coeficiente de permeabilidade é constante. Pequenas velocidades e deformações são desenvolvidas Aplicabilidade em aterros sanitários Os RSU nos aterros sanitários são muito heterogêneos e raramente saturados Alguns dos componentes dos RSU são altamente compressíveis. Os recalques nos aterros sanitários usualmente podem acontecer em duas ou três dimensões devido à não uniformidade da carga aplicada. A lei de Darcy não é válida para um gradiente hidráulico baixo, assim como também a espessura e permeabilidade não podem ser consideradas constantes para matérias altamente compressíveis Dependendo do tipo de resíduo, não é valida para materiais altamente compressíveis (resíduos orgânicos) 2

21 A relação entre índice de vazios e esforços efetivos é linear Para um incremento de carga se desenvolve uma pequena deformação, e o coeficiente de compressibilidade é constante. A curva compressibilidade-tempo varia marcadamente com a magnitude da taxa de incremento de carga e a compressibilidade das partículas não é necessariamente similar à condição elástica linear O índice de vazios mediante um esforço constante decresce devido à compressão secundária. Sowers (1973), foi o primeiro pesquisador a propor um modelo para predizer os recalques que ocorrem num aterro sanitário. O autor, a partir de dados de monitoramento de aterros existentes, argumenta que o índice de compressão primária (Cc) pode variar em função do índice de vazios de,15e até,55e, com o limite superior correspondendo ao resíduo com maior conteúdo orgânico. O índice de compressão secundária (Cs) pode variar de,3e para condições desfavoráveis à decomposição até,9e sob condições favoráveis à decomposição (e = índice de vazios). Divido à dificuldade da determinação confiável do índice de vazios do RSU, tem sido escrito diferentes formas para evitar estimar este parâmetro (El-Fadel & Khoury 2). Uma solução a esta dificuldade consiste em adotar como parâmetros os coeficientes de compressibilidade. C ' c Cc 1 e o (2.2) Onde: C ' S CS 1 e C c = coeficiente de compressão primária; C S = coeficiente de compressão secundária; C c = índice de compressão primária; C S = índice de compressão secundária; e o = índice de vazios inicial. o (2.3) Os valores de C c e C S correspondem respectivamente à tangente das curvas semilogarítmicas de deformação específica contra o logaritmo da tensão aplicada e do tempo (Ver Figura 2.9). 21

22 (a) (b) Figura 2.9 a) Determinação do coeficiente de compressão primária b) Determinação do coeficiente de compressão secundária. Mariano (1999) para o caso do aterro de Muribeca-PE (Célula 1), determinou um coeficiente de compressão primária de C c=,4 e um coeficiente de compressão secundária (C s) desde,1 a,36 (para lixo com idades diferentes). Do mesmo modo Marques (21), para o caso de um aterro sanitário geotécnico experimental, determinou coeficientes de compressão primária (C c) de,57 a,164 e coeficientes de compressão secundária (C s) de,153 a,617. Palma (1995) para o caso do aterro de Meruelo (Espanha), e considerando o tempo zero o início da operação do aterro, determinou coeficientes de compressibilidade secundária da ordem de,2 a,16. Landva & Clark (199), recomendam fazer aterros sanitários experimentais para avaliar a compressibilidade dos aterros sanitários. Estes ensaios de grande escala são muito eficientes e o custo que implicaria sua construção é relativamente baixa. Além disso (Landva & Clark, 199) afirmam que os ensaios geotécnicos convencionais de laboratório não são geralmente aplicáveis para RSU de aterros sanitários, principalmente pelo tamanho e heterogeneidade destes materiais. Estes autores concluem que é necessário introduzir novos ensaios e grandes instrumentos de ensaios, os quais sejam mais apropriados ao tamanho e heterogeneidade dos resíduos. Do mesmo modo para Jessberger & Kockel (1995), na realização de ensaios com RSU, se têm que escolher um método de ensaio adequado, o qual deve ter o cuidado de conservar as características do material específico. Estes podem ser feitos com uso de equipamentos de grandes dimensões ou por meio de ensaios in-situ. Esta é a filosofia que norteou este trabalho. 22

23 Dean & Zeiss (1995), com o objetivo de estudar o efeito benéfico da biodegradação como um método para reduzir o tempo de estabilização de recalque de aterros, construíram 6 lisímetros (1,7 m de comprimento e,57 m de diâmetro), tendo a finalidade de analisar os recalques e a decomposição dos resíduos sólidos por períodos longos, Três lisímetros foram operados de forma a inibir a biodegradação (condição seca) e os outros três foram operados nas condições de fomentar a biodegradação. Segundo os autores, as comparações entre ambos procedimentos levam a crer que, a decomposição não tem um efeito significativo nos coeficientes de compressão (Tabela 2.6). Tabela 2.6 Resultados de parâmetros de compressibilidade apresentados por Dean & Zeiss, (1995) Procedimento do ensaio C c=cc/(1+e o ) C s= Cs/(1+e o ) Condições favoráveis à decomposição,25,33 a,56 Condições desfavoráveis à decomposição,21,37 a,49 mecanismo de carga removível Extração de gás janela Drenagem de chorume Figura 2.1 Lisímetro utilizado por Dean & Zeiss (1995) Landva & Clark (199), com a finalidade de avaliar a compressibilidade de resíduos sólidos antigos (idade desconhecida) de vários aterros do Canadá, fizeram ensaios de compressão confinada em célula de grande dimensão (diâmetro =,45m). Os resultados obtidos por estes autores apresentaram alta compressibilidade, com valores de coeficientes de compressão primária (C c) variando de,2 a,5 e coeficientes de compressão secundária (C s) variando 23

24 de,3 a,2, com este último, segundo os autores, parecendo aumentar com o aumento do conteúdo orgânico. De igual forma Jessberger & Kochel (1993), para amostras de RSU da Alemanha com 15 anos de idade, fizeram ensaios de compressão confinada de grande dimensão, utilizando uma célula edométrica com diâmetro de 1,m (Figura 2.11). As amostras foram ensaiadas em condição não saturada e compactadas com peso específico seco variando de 7 a 1 kn/m 3. Inicialmente as amostras foram pré-carregadas com 25 kn/m 2 e posteriormente, aplicaram-se, por vários dias, cargas de 5, 1, 2, 4 e 65 kn/m 2. Segundo os autores, a deformação máxima encontrada para estes resíduos, devido ao carregamento, é da ordem de 3% da espessura inicial da amostra. As curvas tempo-recalque são mostradas na figura Uma compressão inicial pode ser identificada durante os primeiros 1 a 3 segundos após a aplicação das cargas, seguida por um aumento mais lento da compressão da amostra. pistão de carga Ø 99 lixo Placa de metal perfurada sistema de dreno de areia Figura 2.11 Célula de compressão confinada desenvolvida por Jessberger & Kockel, (1993) 24

25 Figura 2.12 Curva recalque vs. tempo de RSU (Jessberger & Kockel, 1993) Carvalho (1999), para amostras de RSU do aterro Bandeirantes (São Paulo-Brasil), utilizando uma célula edométrica de grandes dimensões (diâmetro =,37m e altura de,39m), fez ensaios de compressão confinada no laboratório. Segundo a autora os resíduos correspondem a uma idade média de 15 anos e a maioria das amostras foram ensaiada na umidade natural (só uma em condição saturada), com peso específico entre 8, a 17, kn/m 3 e altura do corpo de prova de,285 m. Os estágios de carregamento aplicados correspondem a 1, 2, 4, 8, 16, 32 e 64 kn/m 2. Cada carga foi aplicada por vários dias até a definição da reta deformação x log t. Com os resultados obtidos destes ensaios, Carvalho (1999) apresenta valores de coeficientes de compressibilidade primária (C c) de,175 a,229 e coeficientes de compressibilidade secundária (C s) de,15 a,16 (média =,13). A autora argumenta que o índice de compressão secundária (Cs) assim como o coeficiente de compressão secundaria (C s), são pouco afetados pelo índice de vazios e praticamente independentes das sobrecargas (para a faixa entre 1 a 64 kn/m 2 ). Na tabela 2.7, apresenta-se um resumo dos valores de coeficientes de compressão já mencionados. 25

26 TABELA 2.7 Valores de coeficientes de compressibilidade, apresentados por diversos autores. A partir de recalques registrados em aterros sanitários Autores C C C S Mariano (1999),4,1 a,36 Marques (21),57 a,164,153 a,617 Palma (1995) -,2 a,16 A partir de ensaios de laboratório Autores C C C S Landva & Clark (199),2 a,5,3 a,2 Dean & Zeiss (1995),21 a,25,33 a,56 Carvalho (1999),175 a,229,15 a,16 C S1 = Coeficiente de compressão secundária intermediária; C S2 = Coeficiente de compressão secundária ao longo tempo; C C = Coeficiente de compressão primária; C S = Coeficiente de compressão secundária. Com o objetivo de modelar e fazer estimativas de recalques para aterros sanitários, diversos pesquisadores propõem modelos matemáticos com esta finalidade. A maioria destes modelos se caracteriza por ser predominantemente empírico, já que não estão baseados diretamente nas propriedades mecânicas de deformação do maciço, nem consideram a mudança destas propriedades com a biodegradação. Geralmente os parâmetros destes modelos são obtidos dos resultados de dados de recalques iniciais e a partir destes parâmetros tenta-se fazer uma retroanálise da curva inicial e posteriormente fazer uma estimativa de recalques para um tempo mais longo. Para o desenvolvimento desta pesquisa optou-se por utilizar cinco modelos. Inicialmente foi escolhido o modelo de Sowers, por ser o mais empregado e conhecido, além de ser o primeiro modelo proposto para estimativa de recalques. Também foram utilizados os modelos de Bjarngard & Edgers, o modelo Hiperbólico de Ling et al., o de Meruelo e, finalmente o modelo de Logarítmico (Yen e Scanlon). 26

27 Modelo de Sowers (1973) Baseando-se na mecânica dos solos, Sowers (1973), foi o primeiro pesquisador a propor um modelo para estimar os recalques que ocorrem num aterro sanitário. O autor utiliza o modelo proposto na teoria clássica de Terzaghi, adaptando-o para RSU. No desenvolvimento da teoria de Terzaghi é aceita a validade da lei de Darcy e são adotadas algumas hipóteses simplificadoras que nem sempre representam satisfatoriamente o comportamento dos RSU (Tabela 2.6). Estas hipóteses admitem a completa saturação do meio, partículas sólidas homogêneas, compressibilidade desprezível das partículas sólidas e da fase líquida, independência de algumas propriedades em relação à tensão efetiva, relação linear entre tensão efetiva e de vazios, compressão unidimensional e fluxo unidimensional. Apesar disso, este método é o mais utilizado para a estimativa de previsão de recalques de RSU, devido a sua simplicidade. A partir de dados de monitoramento de campo, Sowers (1973) concluiu que, desde que não ocorram mudanças significativas no interior das células, ou seja, desde que os diversos fatores que influenciam o processo de degradação (temperatura, umidade e ph, etc) permaneçam constantes, a relação recalque versus logaritmo do tempo é aproximadamente linear. Assim, Sowers admitiu que os recalques totais de um aterro podem ser divididos em duas parcelas: uma gerada por solicitações mecânicas e, a outra, gerada por decomposição físico-química e biológica do RSU ao longo do tempo. A parcela das solicitações mecânicas é decorrente do peso próprio das camadas de RSU e das sobrecargas; os recalques podem ser determinados a partir da teoria do adensamento primário unidimensional, e que, segundo o autor, se produzem numa primeira fase que se prolonga por um mês aproximadamente. A magnitude dos recalques se determina com a seguinte expressão: Onde: S P Cc 1 e o * H o * log vo S P = recalque ao final da compressão primária; vo = pressão vertical inicial; vo vo (2.4) 27

28 H o = espessura inicial da camada; vo = acréscimo de pressão vertical; C c = índice de compressão primária; e o = índice de vazios inicial. Terminada a primeira parcela de recalques (um mês aproximadamente), inicia-se a segunda parcela, desenvolvida pelas mudanças físico-químicas, decomposição biológica e deformação mecânica do tipo viscoso, a qual possui uma relação linear com o logaritmo do tempo. Segundo Sowers este processo tem um comportamento similar à compressão secundária de solos e pode-se determinar, em conseqüência, com uso da teoria do adensamento secundário: Onde: S S CS t2 * H *log( ) (2.5) e t 1 o 1 S S = recalque da camada devido à compressão secundária; H = espessura inicial da camada no tempo t 1 ; C S = índice de compressão secundária; t 1 = tempo inicial da compressão secundária; t 2 = tempo de estimativa dos recalques. e o = índice de vazios inicial da compressão secundária. A determinação do índice de compressão primária (Cc) e índice de compressão secundária (Cs), não é fácil, uma vez que é complicado fazer ensaios de laboratório que sejam confiáveis. As dificuldades principais são a obtenção de amostras representativas e a escassez de equipamentos de laboratório para efetuar tais ensaios. Sowers (1973), a partir de resultados obtidos de aterros sanitários, concluiu que o índice de compressão primária varia em função do índice de vazios iniciais e do teor de matéria orgânica. Adicionalmente, indicou que o índice de compressão secundária depende da atividade microbiológica e do índice de vazios iniciais. Estas margens de variação dos índices de compressão são apresentadas graficamente pelo autor (Figura 2.13a e 2.13b). 28

29 Aumento do teor da matéria orgânica Figura 2.13a Variação de C C x e o, (fonte Palma 1995) Condição favorável para a decomposição C S =,9 e Condição desfavorável para a decomposição C S =,3 e Figura 2.13b Variação de C S x e o, (fonte Palma 1995) Palma (1995), para realizar avaliações dos recalques a partir das equações propostas por Sowers (1973), empregou as seguintes equações sem precisar estimar o índice de vazios. Recalque primário ' vo SP Cc * Ho * log* vo vo (2.6) 29

30 Onde: Recalque secundário ' t2 Ss CS * Ho *log( ) (2.7) t 1 C C = Coeficiente de compressão primária; C S = Coeficiente de compressão secundária Modelo de Bjarngard and Edgers (199) A partir da compilação e análise de diversos dados de observação e monitoramento de aterros sanitários, os autores geraram um procedimento empírico de avaliação de recalques, onde observaram que a evolução de recalques ocorre em três fases, e cuja equação é a seguinte: H H C ' c Po P log C P o ' S1 t(2) log C t(1) ' S 2 t(3) log t(2) (2.8) Onde: H = Recalque estimado H = Espessura inicial da camada de RSU. H / H = Deformação vertical (recalque normalizado). P o = tensão efetiva vertical média inicial. P = Incremento de tensão vertical média. t (1) = tempo (dias) para completar a compressão inicial t (2) = tempo (dias) para completar a compressão intermediária. t (3) = Período do tempo (dias) para previsão de recalque. ' C c = Coeficiente de compressão primária. ' C S1 = Coeficiente de compressão secundária intermediária. ' C S 2 = Coeficiente de compressão secundária a longo prazo. Fase inicial : Os recalques ocorrem de forma rápida pela compressão mecânica dos resíduos e redução dos vazios existentes. 3

31 Segunda fase : Corresponde a compressão secundária intermediária, os recalques são dominados essencialmente por iterações mecânicas. Terceira fase : Corresponde a recalques de compressão secundária de longo prazo, os efeitos da biodegradação dos resíduos são acrescidos aos mecanismos da fase anterior, implicando taxas de recalques mais elevadas. Na prática, este modelo divide a fase de adensamento secundário prevista por Sowers em duas: a secundária intermediária, caracterizada por ' C S1 e a secundária de longo prazo, caracterizada por ' C S 2. Os autores com a aplicação deste modelo determinaram que o parâmetro de,3 e,38, e o proposto por Bjarngard e Edgers. ' C S1 varia entre ' C S 2 entre,17 e,51. Na figura 2.14, apresenta-se o modelo de recalque Figura 2.14 Modelo de recalque proposto por Bjarngard & Edgers (Marques, 21). 31

32 Modelo Hiperbólico de Ling et al (1998) Este Modelo incorpora em uma única equação os recalques primários e secundários, sendo o tempo inicial, o tempo correspondente ao início das medidas de recalque. Seguindo a relação recalque tempo, os autores propuseram a utilização da seguinte equação para previsão de recalques. Onde: t H 1 t [ ] Hult o t = diferença entre o tempo de interesse e o inicio da medição (t=ti-t o ) ΔH = Recalque medido entre o tempo ti e t o = taxa de recalque inicial ( H / t) para t=t o o Hult = recalque último esperado (tempo infinito) (2.9) Os parâmetros o e ΔHult podem ser determinados por transformação (equação 2.9) a partir de t/δh versus relação de t, sendo avaliados numa análise de regressão linear. t 1 H t Hult (2.1) Segundo os autores, é comum o recalque final estar entre 8 e 95% em relação ao recalque último esperado. O tempo que toma para alcançar o 95% deste ultimo valor é calculado da seguinte forma: 19 Hult t f (2.11) Geralmente t está referido para ser t =, porém a função hiperbólica oferece uma flexibilidade para que o t possa começar em qualquer tempo de interesse. Isto é particularmente utilizado quando acontece uma mudança nas condições de carregamento, como é o caso de sobre-carregamentos dos RSU sobre as camadas antigas. Os autores para verificar a aplicabilidade deste modelo, utilizaram três aterros sanitários (Spadra, Wisconsin e Meruelo), resultando uma boa correlação, com coeficiente de 32

33 correlação (R) entre,93 e,99 (tabela 2.8). A figura 2.15, apresenta os resultados obtidos com aplicação do modelo no aterro Spadra (Califórnia-EUAU). Figura 2.15 Aplicação da função hiperbólica no aterro de Spadra (Ling et al, 1998). Na Tabela 2.8, a partir da aplicação do modelo Hiperbólico nos aterros de Wisconsin, Meruelo (Ponto 26, Ponto 27 e Ponto 28) e, o aterro Spadra (células: 1, 2, 3, 4 e 5), são apresentados os valores das taxas de recalque inicial ( ) e os recalques últimos esperados (ΔHult), com seus respectivos coeficientes de correlação (R). o Tabela 2.8 Parâmetros obtidos para o modelo Hiperbólico Ling et al (1998). Parâmetros Wisconsin Meruelo Spadra o (m/dia),1,3;,2;,1,15;,4;,54;,12;,36 ΔHult (m) 1,14,62;,58;,51,48;,63;,72;,91;,69 R,961,998;,992;,988,998;,997;,9997;,9298;,

34 Os autores mencionam que a função hiperbólica é mais adequada para estimar recalques a longo prazo em comparação aos modelos que trabalham com funções logarítmicas ou exponenciais Modelo de Meruelo (1995) É um modelo exponencial desenvolvido pelo Departamento de Ciências e Técnicas da Água e Meio Ambiente (Arias, 1994) e pelo Grupo da Geotecnia da Universidade da Cantábria, Espanha (Palma, 1995). O nome deste modelo deve-se à informação utilizada para seu desenvolvimento, do aterro sanitário do mesmo nome, localizado em Cantabria-Espanha. Pretende predizer os recalques que ocorrem num aterro sanitário a partir de uma formulação que incorpora e relaciona os parâmetros fundamentais que determinam os processos de degradação, como o tempo, o teor de matéria orgânica nos resíduos, a umidade, o ritmo de desenvolvimento dos processos de degradação, entre outros. As principais hipóteses deste modelo, são as seguintes: (Palma, 1995) De todos os mecanismos de recalque, apenas aquele devido à degradação dos resíduos é tratado pelo modelo. Das fases de biodegradação, a fase anaeróbia é a responsável pelo desenvolvimento de recalques a longo prazo. O processo de degradação anaeróbica está condicionado pela fase hidrolítica, sendo que a velocidade desta fase é a que condiciona a velocidade do processo. O rítmo de hidrolização de um elemento da massa degradável varia inversamente em relação à massa remanescente (não degradável), sendo a relação entre ambas definida pelo coeficiente de hidrólise (k h ), em condições ambientais constantes e somente dependente do teor de umidade. A diminuição da massa sólida só se manifesta parcialmente como diminuição do volume. 34

35 A diminuição da massa sólida pode obedecer a dois processos: um a volume constante, com diminuição de densidade; e outro a densidade constante, com diminuição de volume e, portanto, desenvolvimento de recalque. Para um tipo de resíduo e uma forma de compactação determinados, a relação entre a diminuição da massa sólida e a diminuição do volume é constante. Para o desenvolvimento deste modelo de predição de recalques, foram examinados modelos que representam a eliminação da matéria orgânica biodegradável, em geral os modelos de degradação estudados e utilizados em engenharia sanitária. O modelo propõe a seguinte formulação para estimar os recalques: S s 1 kh ( t Tc ) kht * H * COD[1 ( e e )] (2.12) k T Onde: S s = recalque (mm); = coeficiente de perda de massa transformada em recalques; H = espessura do aterro (mm); COD = conteúdo de matéria orgânica biodegradável; T c = tempo de construção do aterro (dias); k h = coeficiente de hidrólise (dias -1 ); t = tempo ao qual se quer estimar o recalque (dias). h c Segundo Palma (1995), a expressão permite a previsão de recalques a longo prazo num aterro sanitário de RSU compactados. Tendo o problema de se conhecer a cota da superfície no inicio do processo de degradação, especialmente quando a degradação se inicia na fase de operação do aterro, é adequado expressar os recalques em relação a um momento determinado considerado como inicial. O autor menciona que nas condições reais os recalques num aterro sanitário são obtidos com respeito a uma primeira nivelação levada a cabo num momento t > t c. Portanto propõe a seguinte expressão: 35

36 S s. H. COD khtc kht khto (1 e )( e e ) (2.13) k. T Onde: S s = recalques ocorridos entre t e t. (mm) t = idade do aterro ao inicio das medições (dias) t = idade do aterro na ultima medição (dias). h c A partir da curva recalque vs logaritmo do tempo é definido o valor de k h, para os quais se encontra um melhor ajuste da curva. O valor do coeficiente pode ser obtido através da seguinte equação: Ss * kh * Tc kht kt kt H * COD*( e 1)( e e o (2.14) ) Segundo o autor, o modelo provavelmente se aplica melhor a aterros antigos, onde os mecanismos de solicitação mecânica e de dissipação das pressões neutras possuem pouca ou nenhuma influência. A desvantagem do modelo está no atual desenvolvimento dos parâmetros (, k h ). Utiliza-se em geral a seguinte faixa de valores para cada parâmetro (Boscov e Abreu, 2): COD - 25% -,12 a,5 k -,3 a,3 dias -1 h Modelo de Yen e Scanlon (1975) Estes autores fizeram um estudo comparativo a partir de recalques observados ao longo de 9 anos em três aterros sanitários na Califórnia, com espessuras entre 6, e 38 m. Eles propuseram que a velocidade de recalque da superfície de um aterro sanitário atende uma lei de diminuição linear com o logaritmo do tempo O método só é aplicável a recalques de longo prazo (secundários), onde os autores definem a taxa de recalques mediante a seguinte expressão: 36

37 Onde m = taxa de recalque H = recalques medidos t = intervalo de tempo entre leituras H m (2.15) t Além disso, os autores levam em consideração os parâmetros de espessura final do aterro (H f ) e o período correspondente ao tempo total de construção do aterro (t c ). Estes parâmetros são escolhidos, considerando que o tempo de construção de um aterro sanitário é usualmente longo. Este método tem o mérito de considerar na análise das taxas de recalques, o tempo t 1, que é a idade média do aterro, podendo ser melhor compreendido com a visualização da figura Os autores sugerem assim uma relação do tipo: m a blog t 1 (2.16) t t t / 2 (2.17) 1 C t = tempo do inicio da construção à leitura t c = tempo de construção do aterro a e b são parâmetros que variam com a espessura do aterro (H) e com o tempo de construção do maciço (t C ), sendo determinados por ajuste de mínimos quadrados dos pontos na curva m vs t 1. Na Tabela 2.9 se apresenta um resumo dos parâmetros determinados por estes autores. 37

38 Figura 2.16 Definição da idade média do aterro (Yen & Scanlon,1975). Tabela 2.9 Parâmetros determinados por Yen e Scanlon, 1975 (PALMA, 1995). a (mm/mês) b (mm/mês) H (m) t C (meses) 15,85 6,4 H<12 t C =<12 26,82 11,58 12=<H<24 7=< t C <82 37,8 15,54 24=<H<3 7=< t C <82 43,28 18,26 3=<H 7=< t C <82 38

39 CAPÍTULO 3 METODOLOGIA DESCRIÇÃO DA ÁREA ESCOLHIDA EM CAMPO Para o desenvolvimento desta pesquisa, foram selecionadas 3 células experimentais, já existentes aqui denominados (CEL-1, CEL-4, CEL-5). As mesmas estão localizadas, numa área especial, no interior do aterro do Jockey Club de Brasília, destinada às pesquisas da UNB com RSU. O aterro do Jockey Club, está posicionado na porção centro-oeste do distrito federal, a 15 o 16 de latitude sul e a 48 o de longitude oeste, correspondente à zona 23. Na Figura 3.1 apresenta-se uma imagem de satélite, localizando a área do aterro. Taguatinga Brasília Figura 3.1 Imagem de Satélite LANDSAT, composição colorida, Bandas RGB/543, Remarcando a área do aterro do Jockey Clube/DF (Santos, 24). 39

40 A Figura 3.2, apresenta de forma esquemática, a localização das células experimentais em relação às instalações do aterro Jockey club. CEL-4 CEL-5 CEL-1 Figura 3.2 Localização das células experimentais, em relação às instalações do aterro Jockey Club, modificado (Santos, 24) CARACTERIZAÇÃO E DISPOSIÇÃO DAS CÉLULAS EXPERIMENTAIS As células de RSU experimentais, já existentes, foram construídas, nos padrões de um aterro sanitário comum, ou seja, os cuidados dispensados foram aqueles tradicionais, como impermeabilização da base e laterais, drenagem dos gases, coleta e remoção do chorume (Dellabianca 21, Santos 24). A Figura 3.3, apresentada a seguir mostra os detalhes construtivos das células experimentais. 4

41 Figura 3.3 Esquema gráfico, mostrando os detalhes construtivos para as células experimentais (Santos, 24). Para o monitoramento dos recalques, foram colocadas em cada célula experimental, placas de recalques com base fixa no fundo da camada de RSU. Cada sistema é composto por um conjunto formado por dois tubos concêntricos acoplados a duas placas de,5 m x,5 m, como pode ser observado na Figura 3.4. No esquema, o tubo de menor diâmetro foi parafusado na placa II e ambos servem de eixo e base para o sistema. Na placa I foi feita a soldagem do tubo de maior diâmetro, que se movimenta no sentido vertical, de acordo com a ocorrência dos recalques (Dellabianca, 21). 41

42 Leitura dos recalques placa I Tubo externo soldado na placa I Na superfície da camada do lixo placa II Tubo interno parafusado na placa II Na base da camada do lixo Figura Croqui das placas de recalques, modificado (Dellabianca, 21) É importante mencionar que as células experimentais CEL-1 e CEL-5, apresentam como camada de cobertura um material fino (argila). Diferentemente, a CEL-4 têm como camada de cobertura um material granular (entulho de obra), com diâmetro de partícula entre 1 a 25cm ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DOS RSU COLETADOS NA CEL-1 A partir de duas coletas efetuadas em datas diferentes (22/5/4 e 1/7/4), para a mesma célula experimental (CEL-1), foram realizados os ensaios convencionais de caracterização dos RSU. A seguir explica-se cada um dos ensaios realizados Peso específico in-situ A determinação do peso específico in-situ dos RSU foi feita mediante uma escavação sobre a superfície da célula CEL-1. Previamente houve a retirada do solo de cobertura da área a escavar, seguido-se da abertura manual da camada de lixo, com largura aproximada entre,45 e,55 m e profundidade de,4 m. O material coletado da abertura (lixo), foi pesado, sendo a abertura, em seguida, revestida por meio de uma manta plástica impermeável. Finalmente, a cava revestida, foi enchida de água com um volume determinado. É importante mencionar, que devido às características irregulares dos RSU, a execução da escavação foi realizada da melhor forma possível, tentando manter definidas as dimensões geométricas, tendo-se especial cuidado em resgatar totalmente a massa de lixo do volume definido da escavação. Na tabela 3.1, são apresentados os valores determinados deste ensaio. 42

43 A figura a seguir, ilustra o procedimento final do ensaio efetuado. Figura 3.5 Determinação do volume escavado, (peso específico in-situ da CEL-1). PROPRIEDADES Primeira coleta Segunda coleta Massa do lixo escavada (gr) 39,525 81,55 Volume da escavação (m 3 ) Peso específico dos RSU na CEL-1 (KN/m 3 ) Tabela 3.1 Determinação do peso específico dos RSU, a partir das escavações efetuadas na CEL-1 4,6 6, Teor de umidade, ph e temperatura in-situ Para determinação do teor de umidade in-situ (condição base seca), a partir das coletas dos RSU, realizadas na CEL-1, foram separadas e protegidas em sacolas plásticas amostras representativas de lixo para posterior determinação da sua umidade no laboratório, sendo determinado o peso seco das amostras na estufa a 6 o C. 43

44 Púmido Pseco w% (3.1) Pseco Onde: w% = umidade base seca; P úmido = Peso inicial úmido; Pseco = Peso final seco; A medição do ph dos RSU coletados, foi baseada na metodologia para solos empregada pela EMBRAPA (1979), cujo procedimento consistiu na aplicação de 1 ml de material fino de lixo dentro de um copo plástico graduado de 1 ml. Em seguida foram adicionados 25 ml de água destilada, agitando-se posteriormente a amostra com um bastão de vidro, deixando-se em repouso por uma hora para novamente agitar a amostra e medir o ph. O medidor de ph utilizado neste ensaio, foi de modelo Pocket Pal TM ph tester, com especificações de margem:, a 14, ph; com sensibilidade (+/-),1 ph a temperatura de 2 o C. Para medição da temperatura in-situ, a partir da superfície do lixo, foi realizado um pequeno furo vertical de,5m de profundidade e,25 m de diâmetro, Em seguida foi introduzido cuidadosamente dentro deste furo um termômetro de vidro de coluna de mercúrio. 2 minutos após o termômetro ter sido introduzido, foi retirado de forma imediata e cuidadosa, para leitura da temperatura. A seguir, a Tabela 3.2, apresenta os valores de umidade, ph e temperatura, realizados nas datas em que foram feitas as coletas das amostras de RSU. Tabela 3.2 Valores de teor umidade, ph e temperatura, para os resíduos sólidos urbanos da CEL-1 Primeira coleta Segunda coleta Teor de umidade in-situ (w%) 31% 25% ph 6,6 --- Temperatura in-situ do RSU ( o C) 27 o 27 o 44

45 Composição gravimétrica Aproveitando os materiais de RSU coletados nas escavações realizadas para a determinação do peso específico in-situ da CEL-1, foram realizados os ensaios de composição gravimétrica. Este procedimento foi realizado para cada coleta e consiste na separação manual dos principais elementos que compõem o RSU. Neste ensaio os principais elementos considerados foram: papéis, plásticos, matéria orgânica e finos, vidros, metais e outros (borrachas, têxteis e madeiras). Depois de ter feito esta separação, foram pesados cada um destes elementos. A proporção gravimétrica resulta da relação entre o peso dos respectivos elementos e o peso total da amostra, e tem a finalidade de se conhecer a proporção gravimétrica na condição seca. Na pesquisa foram determinados os teores de umidade dos componentes principais (mais representativos) de RSU capazes de reter água, tais como o material orgânica-fino, papéis e plásticos (ver Tabela 3.5). A seguir a Tabela 3.3, apresenta, a composição gravimétrica dos RSU, considerando-se duas condições: composição gravimétrica na condição natural e composição gravimétrica na condição seca. Tabela 3.3 Composição gravimétrica dos resíduos sólidos urbanos da CEL-1 CONDIÇÃO NATURAL Primeira coleta % Segunda coleta % Papéis 35,1 2,39 Plásticos 26,8 4,89 Matéria orgânica e finos 33, 24,17 Vidros 2,7 4,1 Metais 1,5 3,8 Borrachas, têxteis e madeiras,9 6,66 Total 1% 1% 45

46 CONDIÇÃO SECA Primeira coleta % Segunda coleta % Papéis 31,29 13,62 Plásticos 27,47 46,52 Matéria orgânica e finos 26,1 15,65 Vidros 8,1 6,8 Metais 4,37 6,33 Borrachas, têxteis e madeiras 2,76 11,8 Total 1% 1% Tamanho e distribuição dos componentes dos RSU O ensaio foi realizado somente para a amostra da primeira coleta, na condição de umidade natural. Na tentativa de caracterizar o tamanho dos diferentes componentes dos resíduos, procedeu-se à medição direta dos elementos que compõem a amostra coletada (aproximadamente 39 Kg), sendo a distribuição dos tamanhos escolhidos em relação às partículas menores a 25 mm, de 25 a 37 mm, 37 a 5 mm, de 5 a 6 mm, de 6 a 1 e, maiores a 1 mm. Seguidamente, os materiais separados de acordo com os tamanhos selecionados são pesados para posterior determinação da percentagem em relação ao peso total da amostra. Na tabela 3.4, apresenta-se a distribuição granulométrica encontrada para a primeira amostra coletada. Tabela 3.4 Distribuição granulométrica dos resíduos sólidos urbanos da CEL-1 Diâmetro (mm) Percentagem (%) < 25 18, , , , ,84 > 1 67,52 46

47 Recalques (mm) APRESENTAÇÃO DOS RECALQUES MEDIDOS NAS CÉLULAS EXPERIMENTAIS Como foi explicado no item 3.2, para o melhor desenvolvimento da pesquisa foram escolhidas três células experimentais (CEL-1, CEL-4, CEL-5). Neste item são apresentados graficamente os dados de recalques monitorados para as três células selecionadas, iniciando-se as leituras dos recalques imediatamente depois da colocação das placas de recalques e camadas de coberturas Célula experimental CEL-1 Inicialmente durante os primeiros 4 dias, o controle dos recalques ocorridos, foi levado por Dellabianca (21). Posteriormente, Santos (24) continuou com o controle destes recalques, totalizando quase 3,5 anos de monitoramento. O recalque absoluto reportado, correspondente a 1127 dias, foi de 614 mm e em termos relativos corresponde a 16,2% em relação a sua espessura inicial (28 mm) Tempo (dias) Figura 3.6 Recalques registrados na célula experimental CEL Célula experimental CEL-4 A célula experimental CEL-4, como se explica no item 3.2, foi projetada e construída para ter como camada de cobertura um material granular grosseiro e inerte (entulho de obra), sendo esta célula experimental monitorada por quase 3 anos (Santos 24), a partir o dia 5 de 47

48 Recalques (mm) Recalques (mm) dezembro de 2 até 15 de julho de 23, totalizando 952 dias. Dentro deste período foi registrado um recalque total absoluto de 555 mm e, em termos relativos, 14,49%. 6, 5, 4, 3, 2, 1,, Tempo (dias) Figura 3.7 Recalques registrados na célula experimental CEL Célula experimental CEL-5 Santos (24), levou o monitoramento dos recalques desde o dia 27 de julho de 21 até 15 de julho de 23, completando um período de 718 dias. Em todo o tempo de monitoramento da CEL-5, o autor reportou um recalque absoluto de 226 mm, correspondendo, aproximadamente, a 5,95% da altura total da coluna do lixo. 25, 2, 15, 1, 5,, Tempo (dias) Figura 3.8 Recalques registrados na célula experimental CEL-5 48

49 3.5 - CARREGAMENTO SOBRE A CÉLULA EXPERIMENTAL CEL-1 Nesta pesquisa foi colocada uma sobrecarga sobre a célula experimental CEL-1, com a finalidade de simular e estudar os fenômenos mecânicos que acontecem nas primeiras camadas de um aterro sanitário, devido à colocação das camadas posteriores ou outros tipos de carregamentos. O carregamento consistiu no enchimento com entulho de obra de uma caixa de madeira de 3m x 4m de lado e,9m de altura. Para o desenvolvimento deste procedimento, inicialmente foi nivelada a superfície da camada de cobertura, correspondente ao topo do aterro, até a definição de uma superfície horizontal de 4m x 5 m de lado (Figura 3.9a). Após isso, foi realizada a medição direta da espessura da camada de lixo, a qual consistiu em introduzir uma fita com um pequeno peso na ponta, no interior do tubo de diâmetro menor do marco superficial de recalques. Como explicado no Item 3.2, o tubo de diâmetro menor, está fixo a uma placa na base da camada de lixo. Em seguida, foi aumentada o comprimento do tubo de diâmetro menor e posterior colocação da segunda placa sobre a camada de lixo. Sobre a superfície nivelada, foi colocada uma caixa de madeira, a qual foi construída com armação de vigotas, revestida por tábuas. No interior da caixa foi colocado como material de carga entulho de obra, até atingir o peso desejado de 22 toneladas, correspondendo para as dimensões da caixa, uma tensão aplicada de 18 kpa. O material adotado como sobrecarga (entulho), foi escolhido, devido ao peso específico que os caracterizam e disponibilidade próxima no campo (no mesmo aterro do Jockey Club). Inicialmente de forma manual com os carrinhos de mão, tentou-se preencher a caixa com entulho, embora devido ao grande volume requerido, teve que ser solicitado apoio de maquina pesada (carregador frontal) para o enchimento completo da caixa. Por questões de segurança contra possíveis roubos da madeira e também com a finalidade de aliviar as forças de empuxo devido ao peso do material de entulho, as laterais externas da caixa, foram recobertas com o mesmo material de entulho empregado como sobrecarga. É importante mencionar também, que os recalques foram registrados desde o começo da etapa do carregamento (preenchimento da caixa com material de entulho). 49

50 A figura a seguir (3.9), mostra o procedimento efetuado na colocação do carregamento sobre a CEL-1. a b c d Figura 3.9 Aplicação do carregamento sobre a CEL-1: a) superfície nivelada; b) Montagem da caixa; c) preenchimento manual da caixa com entulho; d) etapa final do carregamento. 5

51 3.6 - ENSAIO DE COMPRESSÃO CONFINADA Caracterização da instrumentação empregada Tomando como referência investigações anteriores, sobre ensaios de compressibilidade confinada para resíduos sólidos urbanos (Landva & Clark 199, Jessberger & Kockel 1993, Dean & Zeiss 1995, Carvalho 1999), foi desenvolvida uma célula de compressão confinada de grandes dimensões, com a finalidade de fazer ensaios em laboratório, para os resíduos sólidos gerados na cidade de Brasília. A célula é constituída de aço simples cromado e possui um diâmetro interno de 4 mm, altura de 4 mm. A Figura 3.1 apresenta, de modo esquemático, a célula desenvolvida, bem como as suas principais partes, como o pistão, cilindro, disco-tampa e disco-base, etc. 51

52 Disco tampa Sistema vedação Pistão Sistema vedação Sistema Drenagem Êmbolo Cilindro Sistema vedação Disco Base Sistema Drenagem ( ) Figura 3.1 Esquema do equipamento para compressão confinada de RSU 52

53 Na montagem deste equipamento o cilindro é preso ao disco base por meio de dois parafusos (Figura 3.11), colocando-se em seguida a amostra a ser ensaiada. Posteriormente, um pistão é introduzido no cilindro, como se ilustra na Figura Figura 3.11 Cilindro montado sobre o disco-base Figura 3.12 Colocação do pistão no interior do cilindro 53

54 Sobre o cilindro é ajustado o disco tampa que é preso ao disco base por 12 parafusos, roscas e arruelas, equiespaçados (Figura 3.13). Aplicação de ar comprimido Figura 3.13 Colocação do disco tampa. A pressão sobre o RSU é realizada via aplicação de ar comprimido, o qual é injetado por um conduto feito no disco tampa (Figura 3.13), formando assim, uma câmara de pressão dada pelo espaço entre o êmbolo do pistão e o disco-tampa. O êmbolo possui dois anéis de o rings para vedar a passagem de ar para a amostra (Figura 3.14). O sistema de drenagem no equipamento é constituído por dois condutos localizado na base (disco-base) e no topo (êmbolo), como se ilustra nas Figuras 3.14 e

55 Sistema de vedação Conduto drenagem superior Figura 3.14 Pistão e embolo, evidenciando o sistema de vedação e o conduto de drenagem. Figura 3.15 Parte interior do cilindro, evidencia-se o sistema de drenagem. Levando-se em conta as dimensões especiais das pedras porosas (diâmetro 38 mm), o custo alto e a dificuldade que resultaria a elaboração das mesmas no laboratório, opto-se por utilizar geotextil tipo RT31 como sistemas de drenagem em lugar das pedras porosas. 55

56 Na aplicação da pressão, optou-se por um sistema alternado, de um cilindro de gás comprimido (oxigênio-nitrogênio) e o sistema de ar comprimido do laboratório (gerador central). O cilindro de gás, apresenta uma pressão de trabalho de 13,89 MPa. e o sistema de ar no laboratório pode atingir pressões máximas de até 8 kpa. A pressão aplicada no equipamento é controlada por unas válvulas reguladoras de pressão e manômetros de precisão. Vale salientar que o equipamento foi projetado para suportar pressões de 1 kpa. Na Figura 3.16 mostra-se o sistema completo referente ao equipamento de compressão confinada. Sistema ar comprimido do laboratório Válvula reguladora Manômetro Extensômetro Célula de compressão confinada Cilindro de gás Manômetro de mercúrio Figura 3.16 Sistema completo referente ao equipamento de compressão confinada uniaxial. Antes de começar cada ensaio de compressão confinada, foi necessário fazer a calibração do equipamento, o qual consistia, em medir a pressão requerida para romper o atrito entre o êmbolo e as paredes internas do cilindro. Como estas pressões resultaram ser mínima, foi idealizado um manômetro de coluna de mercúrio em U (Figura 3.16), para medição de baixas 56