ENSAIOS DE RESSECAMENTO EM LAMAS VERMELHAS: ESTUDOS DE VIABILIDADE PARA USO DA TÉCNICA DE DRY STACKING

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1 ENSAIOS DE RESSECAMENTO EM LAMAS VERMELHAS: ESTUDOS DE VIABILIDADE PARA USO DA TÉCNICA DE DRY STACKING L. F. de S. Villar UFMG, Departamento de Engenharia de Transportes e Geotecnia T. M. P. de Campos PUC-Rio, Departamento de Engenharia Civil RESUMO: Se comparado à técnica de disposição úmida, o processo que submete resíduos ao ressecamento pode proporcionar benefícios mais imediatos, como exigência de menor área e movimentos de terra para a disposição. Estocar rejeitos em condições deles serem submetidos à secagem em geral produz um depósito sólido estável, mais adequado para uma pronta reabilitação. Esta técnica é conhecida como dry stacking, ou empilhamento a seco. Neste trabalho, são apresentados alguns resultados do acompanhamento do ressecamento de lamas vermelhas, que é como são chamados os resíduos do processamento de bauxita para obtenção da alumina. Foram realizados ensaios de secagem em caixas de dimensões e formas variadas, sob condições controladas, com o objetivo de reunir parâmetros para a previsão do comportamento deste material quando dispostos pela técnica de dry stacking. As caixas foram instrumentadas com tensiômetros e termopares e também se monitorava a perda de umidade com o tempo, por meio de balanças e coleta de amostras periódicas. Procurou-se, assim, verificar como o resíduo se comporta na transição do estado de saturação para o não saturado e identificar se os parâmetros mais importantes a se considerar na modelagem da disposição por secagem são adequadamente obtidos por estes ensaios. INTRODUÇÃO: A disposição dos resíduos gerados pela exploração e processamento mineral é um problema crescente e novas técnicas que auxiliem no seu manuseio vêm sendo pesquisadas. Algumas indústrias de exploração e processamento mineral tem que lidar com milhões de toneladas de resíduos semi-sólidos e/ou outros subprodutos. No caso da exploração e processamento da bauxita, dependendo da composição químicomineralógica da rocha de origem, são gerados até duas (2) toneladas de resíduos por tonelada de alumina produzida (Cooling, 1989). Segundo Solymar e outros (1992), havia no final dos anos 80, 1 bilhão de ton. de resíduos secos de processamento de bauxita e esta quantia aumentava a uma taxa de 4% ao ano. É comum que rejeitos tais como os de mineração sejam produzidos e removidos para o local de estocagem através de processos úmidos, ou seja, sob a forma de lama. Um projeto bem controlado para a disposição de resíduos nesta forma envolve informações não só sobre sedimentação inicial e adensamento por peso próprio sob várias condições de contorno, mas também sobre a formação de crosta superficial devido a efeitos combinados de rebaixamento do nível de água e de ressecamento devido a exposições esporádicas dos resíduos ao ar livre (Fahley e Fujiyasu, 1994). O procedimento comum adotado na reabilitação destas áreas de depósito é colocar um capeamento sobre a superfície, revestindoa. Portanto, o desenvolvimento de uma crosta superficial ressecada, com uma resistência

2 adequada para suportar trabalhadores e equipamentos pode auxiliar em muito, o andamento destas obras. A técnica de permitir o ressecamentno do material ao longo de toda as etapas de armazenamento pode proporcionar estes benefícios. Além disto, exige menor área e movimentos de terra para construção dos reservatórios de disposição, uma vez que se estará lidando com volumes menores, dada a elevada contração que em geral estes materiais apresentam. De uma forma gera, esta técnica tem a capacidade de produzir um depósito sólido estável, mais adequado para uma pronta reabilitação e abandono. O fissuramento por contração durante a secagem pode resultar em uma boa drenagem vertical, mantendo baixo o nível freático. Isto deixa o reservatório em melhores condições para receber novas camadas, facilitando a recuperação do fluído utilizado no transporte do resíduo, bem como a lixiviação de chuva, sendo menor o risco de contaminação da área (Corless e Foley, 1992). Para previsão das propriedades de rejeitos depositados por via úmida, são usados modelos de adensamento, para solo saturado, com grandes deformações, como os de Gibson e outros, 1981; Shciffman e outros, 1984; Pane, 1985, dentre outros. Porém, eles não têm se mostrado adequados para descrever casos onde os resíduos são permitidos ressecar em camadas finas, após a deposição (Rollings, 1994). A Figura 1 compara previsões feitas através de teorias de adensamento que não consideram os efeitos de ressecametno e as medições realizadas em uma área de disposição de resíduos que era regularmente exposta ao ar. Como se pode perceber, é grande a discrepância da previsão com estas teorias em relação ao comportamento real do reservatório. Justifica-se, assim, a necessidade de desenvolver métodos que considerem o efeito provocado pelo ressecamento solar. Algumas tentativas tem sido feitas para modelar a vida útil de reservatórios formados por camadas expostas ao ressecamento solar. Entre elas, pode-se citar os trabalhos de Sparrow (1981), Cargill (1985), Cooling (1985), Swarbrick e Fell (1992), Richards (1992), Abu-Hejlen e Znidarcic (1995). FIGURA 1: Alturas Medidas e Previstas de Resíduos em Uma Área de Deposição (adaptado de Cargill, 1985) No caso dos resíduos de processamento de bauxita, a técnica que permite a secagem dos resíduos teve um desenvolvimento significativo nos anos 80. No Brasil, tem sido experimentada em resídusosde lavagem de bauxita, com resultados promissores (Ávila e outros, 1995). Experiências com resíduos de outros minerais em várias partes do mundo também tem sido relatadas, como por exemplo, em Knight e Haile (1983), Swarbrick (1992) e Fahey e Fujiyasu (1994). Os ensaios aqui apresentados foram idealizados para que se tivesse um melhor entendimento do processo de ressecamento de resíduos de mineração. Um dos objetivos para sua execução foi o de obter parâmetros adequados para utilização em modelos já existentes para a previsão da vida útil de reservatórios de armazenamento de rejeitos levando em consideração a exposição dos mesmos ao ressecamento solar. Através deles, também se dá uma contribuição para a melhoria e o desenvolvimento de métodos mais realistas de previsão de comportamento destes reservatórios. Isto pode encorajar o uso desta técnica no país, que possui um ótimo potencial climático para sua implantação, e promover menor agressão ao meio ambiente. A discussão sobre algumas características de fissuramento dos resíduos ensaiados, observadas nestes mesmos ensaios, foram apresentadas em Villar e outros (1977). 242

3 A TÉCNICA DE DRY STACKING Muitas empresas de mineração e processamento vem utilizando esta técnica em várias partes do mundo, com algumas variações. Elias (1995) descreve algumas alternativas que têm sido empregadas na Austrália. Uma delas foi desenvolvida para aumentar a vida útil de áreas de disposição já esgotadas, onde os resíduos foram lançados sob a forma de lama. É colocada uma camada de areia sobre esta área, com a instalação de drenos no seu interior. Diques são construídos ao redor do perímetro e resíduo seco (espessado) é descarregado dentro deste local, em camadas aproximadas de 1,0 metro de espessura. Estas camadas são deixadas secar ainda mais, sendo permitido o fissuramento para acelerar a drenagem das lançadas posteriormente. Dependendo da disponibilidade de resíduo arenoso no local, novas camadas drenantes podem ser construídas sobre o resíduo ressecado antes de um novo lançamento. Uma outra técnica utilizada é fazer o lançamento de resíduos secos desde o início da vida útil do reservatório. A Figura 2 mostra um esquema genérico destas técnicas. Como técnica para espessamento do resíduo antes do seu lançamento definitiva, usa-se grandes espessadores ou adição de floculantes aos rejeitos. Também utiliza-se lançá-los em reservatórios ou tanques para que adensem por áreas inclinadas, que facilitam o escoamento do excesso de líquido, e já expondo o resíduo ao ressecamento, em camadas de no máximo 20cm. Este material é removido para os locais definitivos de disposição, depois de atingirem um baixo teor de umidade (Chandler, 1988). Ávila e outros (1995) relatam uma variação de teor de sólidos de 12% para um valor acima de 50% (o equivalente a variação de teor de umidade gravimétrico de mais de 700% para menos de 100%) em lamas de lavagem de bauxita, em reservatórios para préadensamento, antes de dispostas na área de secagem. ENSAIOS REALIZADOS Os modelos para previsão da vida útil de reservatórios de disposição de resíduos que consideram efeitos de ressecamento exigem o conhecimento de vários parâmetros, alguns de obtenção pouco freqüente na Geotecnia. São necessários dados tais como taxas de evaporação, tempo para se atingir determinadas características do processo evaporativo, teor de umidade ao longo de todo o período de ressecamento, quantidade de líquido evaporado, sucção desenvolvida, dentre outros. Em geral, eles podem ser determinados por ensaios como os aqui descritos. (a) (b) FIGURA 2: Disposição a seco: a) sobre resíduo úmido previamente depositado e b) com drenagem na base (adaptado de Elias, 1995) Foram montadas caixas de vidro, de dimensões variadas, isoladas lateralmente e na base. Elas eram colocadas sobre balanças para permitir o acompanhamento da perda de umidade de um solo, ali depositado na forma de lama, durante um processo de ressecamento simulado por meio de exposição a lâmpadas halógenas, conforme descrito em Swarbrick (1992) e Swarbrick (1994). Estas lâmpadas eram deixadas acesas por períodos de tempo variáveis, em média 8 horas, procurando-se simular a variação de radiação que ocorre entre o dia e a noite. Este tipo de recipiente é chamado de lisímetro e já foi utilizado para determinação de taxas de evaporação de 243

4 resíduos de mineração (Swarbrick e Fell, 1992; Fahey e Fujiyasu, 1994, dentre outros). Foram usados recipientes das formas mais variadas. Maior atenção foi dada aos lisímetros com 50 x 50 x 50cm. Foram construídos dois destes. Um, destinado à retirada de amostras periódicas por meio de um amostrador tipo pistão estacionário, com diâmetro reduzido. O outro, para acompanhamento sem amostragem, de modo a não introduzir perturbação ao longo do processo. Os ensaios foram montados com teor de sólidos inicial de 46% (teor de umidade em torno de 117%). Deixou-se adensar por um período de duas semanas, para então se instalar a instrumentação. Esperou-se ainda mais uma semana para que a lama envolvesse bem os tensiômetros e termopares e, então, iniciar a simulação de secagem. Na caixa onde não haveria amostragem, os tensiômetros foram instalados a 5cm, 10cm, 15cm e 20cm de profundidade, em vários pontos (extremidades e centro). Eles eram bem finos e flexíveis, podendo se movimentar junto com a lama, tendo capacidade de medir sucções de até cerca de 100kPa. Os termopares foram instalados próximos a cada tensiômetro, de modo que também pudessem acompanhar o recalque da lama, e tinham precisão de 0,1 o C. Na caixa 02, de amostragem, foram instalados tensiômetros e termopares só no centro da caixa, a 5cm, a 10cm e a 20cm de profundidade. As balanças utilizadas para o acompanhamento de perda de umidade eram mecânicas, com capacidade para 300kg e precisão de 100g. MATERIAL ENSAIADO Um dos materiais pesquisados foi uma lama da região de Ouro Preto, MG. Trata-se de um resíduo do final do processamento da bauxita pelo Sistema Bayer, com um ph em torno de 14, decorrente da digestão da rocha em soda cáustica, para obtenção da alumina. A densidade relativa dos grãos deste resíduo é 3,6, sendo que ele é constituído em mais de 50% de Fe 2 O 3 (hematita), tendo sido detectada a presença de gibbisita e alofana (em torno de 10%), que são dois argilo-minerais. O índice de plasticidade encontrado foi de 34, com o limite de liquidez ficando em torno de 64 e o de contração, em torno de 18. Através de resultados de microscopia eletrônica, verificou-se que se trata de um resíduo homogêneo e com grande quantidade de amorfos. Foi feita uma pesquisa sobre fatores que podiam influenciar a sua curva granulométrica, tais como o uso de defloculantes, taxas de sedimentação no soro em que é lançado, faixas de segregação que podem se formar dentro do reservatório. A faixa de variação de curvas granulométricas obtidas levando-se em consideração todos estes fatores está mostrada na Figura 3. FIGURA 3: Faixa de Variação das Curvas Granulométricas do Resíduo Ensaiado. RESULTADOS PRELIMINARES O teor de sólidos médio ao longo da camada, atingido após o período de adensamento por peso próprio, foi de 50% (teor de umidade em torno de 100%). Após três meses de ensaio, o solo apresentou uma contração vertical total de 28% (13cm). A contração lateral da camada superior chegava a 4,5cm e, as fissuras, tinham de 4 a 6cm de largura, atingindo até o fundo do recipiente. Apesar de alguns pesquisadores, como Sibley e Williams (1993), afirmarem que antes da formação das fissuras só ocorre deformação vertical do material, notou-se que a contração horizontal se iniciou antes do começo do trincamento da superfície. A temperatura média da sala sem que as luzes especiais estivessem acessas, variava de 20 a 30 o C, com umidades relativas do ar entre 65 a 70%. Nestas condições, observou-se, com 244

5 relação aos gradientes térmicos, que registravase temperaturas maiores nas camadas internas do solo. Os gradientes em relação à superfície ficavam, em média, em torno de 1 o C, mas chegavam até 4,7 o C. Após oito horas de ensaio contínuo, a temperatura ambiente variava de 45 a 55 0 C, o que equivale de 28 a 30% de umidade relativa. Então, percebia-se uma inversão no sentido do fluxo de calor, havendo uma elevação acentuada da temperatura das camadas superficiais, enquanto as temperaturas no interior da lama quase não mudavam. A diferença nos valores registrados na superfície e interior do resíduo chegava até a 15 o C. Os registros de temperatura feito por dois termopares instalados no centro de um dos lisímetros estão representados na Figura 4. Na Figura 4a, estão os dados referentes ao termopar instalado a 5cm de profundidade e, na Figura 4b, os de um instalado a 20cm no interior da lama. Através dos outros lisímetros de diferentes dimensões, percebeu-se que a densidade de trincas formadas ficou muito condicionada à espessura inicial de lançamento da amostra. Mesmo quando a umidade relativa estava acima de 60%, as amostras com camadas finas apresentaram um extenso fraturamento, enquanto poucas trincas foram notadas nas amostras de maior espessura. O fato de que a camada de lama exposta para secagem seja de pequena profundidade é considerado como um dos aspectos de projeto mais importantes para o sucesso com a técnica de ressecamento solar. Só assim é que se tem um extenso trincamento do material depositado, facilitando a drenagem das camadas que serão lançadas posteriormente (Chandler, 1988; Kerr e Colombera, 1992). Durante todo o ensaio, foram realizadas medições de perda de líquido por evaporação, para o cálculo da taxa em que ela ocorria. A taxa de evaporação é um dos parâmetros importantes para uso dos modelos matemáticos. A curva obtida está representada na Figura 5. Na Figura 6, para se fazer uma comparação, está representado um resultado obtido na Austrália, em lama de lavagem de bauxita (Swarbrick, 1992), por meio de ensaios semelhantes aos realizados aqui. A diferença entre estes testes e os realizados no laboratório da PUC-Rio, está na precisão da medição da variação da massa total do lisímetro. No equipamento brasileiro, as caixas eram apoiadas diretamente em balanças com precisão de 100g, enquanto que no australiano, ele foi montado sobre células de carga. A taxa de evaporação calculada para o ensaio realizado na PUC-Rio, foi de aproximadamente 3,0mm/dia, enquanto que a do ensaio australiano, foi de 5,6mm/dia (Swarbrick e Fell, 1992). (a) (b) FIGURA 4: Variação de Temperatura Medida no Resíduo ao Longo do Ensaio: (a) 5 cm de profundidade e (b) 20 cm de profundidade. Observa-se, na Figura 6, que inicialmente, a secagem se dá em uma taxa constante, que é a chamada taxa de evaporação potencial. Após algum período de tempo, esta taxa diminui. O comportamento mostrado na Figura 6 é o esperado em meios porosos isotrópicos sob evaporação. O ponto onde ocorre a mudança de taxa é um dado importante para alguns modelos, que tomam como base este padrão de comportamento do material ao longo do processo de secagem (Swarbrick e Fell, 1992). Ele é nítido na curva da Figura 6, mas não o é 245

6 na Figura 5. Analisando-se a Figura 7, que mostra a perda diária de líquido, verifica-se que o ensaio executado ocorreu quase que totalmente na sua taxa potencial de evaporação, pois a perda diária de água foi praticamente constante ao longo de todo o período de acompanhamento. Só no final é que ela começou a diminuir, sugerindo que entrar-se-ía no segundo estágio de evaporação caso o ensaio não tivesse sido interrompido. evaporação potencial. A Figura 9 mostra a variação do teor de umidade gravimétrico da superfície da lama (em média, 5,0cm de profundidade). No final do período analisado, o teor de umidade registrado estava em torno de 20% (teor de sólidos acima de 80%), que é próximo ao limite de contração do material e confirmando a tendência à diminuição dos recalques. FIGURA 5: Evaporação Acumulada Medida ao Longo do Ensaio. FIGURA 7: Perda de Água Diária Registrada ao Longo dos Ensaios. FIGURA 6: Evaporação Acumulada no Tempo em Lama de Lavagem de Bauxita (adaptado de Swarbrick e Fell, 1992) A Figura 8 mostra a variação do topo da camada da lama com o tempo. Ela ocorreu em uma taxa quase que constante durante o período de acompanhamento, só reduzindo no final. Este fato também pode ser uma comprovação de que as condições de secagem ao longo do ensaio, foram em taxa de FIGURA 8: Variação do Topo da Camada de Lama. A Figura 10 mostra a variação dos perfis de umidade obtidos por amostragem. Aí, fica bem claro o avanço da frente de ressecamento. Nota-se que, mesmo depois de 2 meses de secagem, abaixo de 25cm de profundidade, os 246

7 teores de umidade ainda eram elevados (em média, 60%, teor de sólidos também em torno de 60%), correspondendo a um nível de sucção mátrica inferior a 5kPa. Percebe-se, também, que apenas aproximadamente 20 dias foram necessários para que a camada passasse de um teor de umidade médio de 75% para aproximadamente 55% (teor de sólidos de aproximadamente 57% para em torno de 65%), para uma mesma taxa de evaporação. Isto é uma indicação da necessidade do pré espessamento do resíduo antes da disposição para que se agilize o processo. UMIDADE (%) TEMPO (dias) FIGURA 9: Variação do Teor de Umidade dacamada Superficial. Os valores de sucção medidos pelos tensiômetros na camada superficial, uma semana após o início do ensaio, eram de apenas 0,7kPa, aproximadamente. Cerca de um mês após iniciado o processo de ressecamento, os valores de sucção registrados na superfície era de 22kPa e, a 20cm de profundidade, tinha-se 17kPa. Ao final do ensaio, o trecho de 5 a 10cm de profundidade apresentava sucção mátrica em torno de 300kPa. Os parâmetros obtidos destes ensaios estão sendo utilizados como dados de entrada no modelo proposto por Richards (1992). Como ainda não se calculou a condutividade hidráulica não saturada dos resíduos, análises preliminares foram feitas a partir de estimativas deste dado. Os resultados até agora conseguidos concordam razoavelmente com os medidos, tendo o modelo previsto o recalque da lama com um erro de aproximadamente 15% (Richards, 1998). PROFUNDIDADE (cm) dias dias TEOR DE UMIDADE (%) 5.35 dias INÍCIO FIGURA 10: Variação do Perfil de Teor de Umidade da Lama com o Tempo. CONCLUSÕES Foi simulado o ressecamento de um resíduo para obtenção de parâmetros para uso em modelos de simulação da vida útil de reservatórios onde o material é exposto à secagem. O objetivo era de obter subsídios para a previsão do comportamento deste material quando disposto para secagem, técnica que traz grande economia às indústrias e menos agressão ao meio ambiente. Verificou-se que, com o uso de uma metodologia simples, os dados obtidos fornecem respostas animadoras quando usados em um modelo numérico. Através dos ensaios, verificou-se que a técnica é viável de ser aplicada em lamas vermelhas, o resíduo do processamento da bauxita para obtenção da alumina. Mesmo tendo sido ensaiada em um teor de umidade inicial muito elevado, ao contrário do que se recomenda para o uso da técnica de dry stacking, o material apresentou uma taxa de secagem elevada, reduzindo seu teor de umidade em quase 50% em apenas 20 dias. Ao 247

8 final de 2 meses, o resíduo já apresentava níveis de sucção mátrica em torno de 300kPa entre cinco e dez centímetros de profundidade, com resistência à tração próxima a 50kPa. Estes valores conferem à camada resistência satisfatória para iniciar-se obras na sua superfície, permitindo adiantar os trabalhos de reabilitação da área. O fissuramento ocorrido também foi considerado satisfatório para facilitar a drenagem das camadas que seriam lançadas posteriormente. As fissuras atingiram, em média, ao longo do período de ensaio, de 4 a 6cm de largura, com mais de 35cm de profundidade. Registrou-se a ocorrência de gradientes térmicos que se invertiam com o fato das lâmpadas estarem acesas ou não, correspondente ao período de dia e noite, com alternância do fluxo de calor. A contração vertical total da camada foi de quase 30%. Este valor dá uma idéia do ganho em capacidade de estocagem de uma área de disposição quando se utiliza a técnica de dry stacking, se comparada com a técnica de lançamento sob a forma de lama. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Abu-Hejlen e Znidarcic (1995) Desiccation Theory of Soft Cohesive Soils J. Geotec. Eng. Div., vol 121, n o 6, June, ASCE, P.P Ávila, J.P ; Soares, R. e Costa, L.H. (1995) Deposição de Rejeitos Finos Pelo Método de Secagem III REGEO Ouro Preto, MG, vol 1, p.p Cargill, K.W. (1985) "Mathematical Model of Consolidation Desiccation Process in Dredged Material" Tech. Rep. D.85-4, US Army Eng. Waterways Exp. St., Vicksburg, Chandler, J.L. (1988) "Solar Drying of Red Mud" - Light Metals, Phoenix, Arizona, USA, p.p Cooling, D.J. (1985) Finite Strain Consolidation of Red Mud Residue From the Alumina Refining Industrie - West. Aust. Inst. of Tech. Cooling, D.J. (1989) - Developments in the Disposal of Residue from the Alumina Refining Industry. - Light Metals, p.p Corless, B. e Foley, B. (1992) Residue Drying Developments at Kwinana Proc. Intern. Bauxite Tailings Works, Perth, Austr., p.p Elias, D.C. (1995) Geotechnical Properties of Bauxite Residue and Their Use in Planning Disposal Facilities Light Metals, pp Fahley, F. e Fujiyasu, Y. (1994) The Influence of Evaporation on The Consolidation Behaviour of Gold Tailings. - Ist Int. Congr. Env. Geotech., Edmonton, Can., p.p Gibson, R.E.; Schiffmann, R.L. e Cargill, K.W. (1981) The Theory of O.D. Consolidation of Saturated Clays, II: Finite Nonlinear Consolidation of Thick Homogeneous Layers Can. Geotec. J. 18(2), p.p Kayyal, M.K. (1995) Effect of Moisture Evaporative Stages on the Development of Shirinkage Cracks in Soils - Unsat. Soils, Paris, p.p Kerr, A. e Colombera, P. (1992) Mud Handling for Dry Stack Disposal of Bauxite Tailings - Int. Bauxite Tailings Works.; Aust. Baux. And Alum. Producers, Perth, Aust., p.p Knight, R. B. e Haile, J.P. (1983) Sub Aerial Tailings Deposition Proc. 7 th Pan Am. Soil Mec. Conf., vol 2, Vancouver, Canada. Pane, V. (1985) "Sedimentation and Consolidation of Clays" - Tese de Doutorado, Univ. do Colorado, Boulder, Colorado, USA, 382 p.p. Richards, B.G. (1992) Modelling Interatctive Load-Deformation and Flow Processes in Soils, Including Unsaturated and Swelling Soils Austr. J. Soil Res., 43, pp Richards, B.G. (1998) Comunicado Pessoal. Rollings, M.P. (1994) Geotechnical Consideration in Dredged Material Management I Int. Congr. on Env. Geotech., Edmonton, Can., p.p Schiffman, R.; Pane, V. e Gibson, R.E. (1984) "The Theory of O.D. Consolidation of Saturated Clays, IV: An Overview of Non Linear Finete Strain Sedimentation and 248

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