TEMA 1 Patologias das construções Estudo e Acompanhamento da Perda de Massa Iônica em Barragem de Concreto Compactado com Rolo, em Decorrência da Percolação de Água pela Estrutura Alex Joukoski 1,a, Kleber Franke Portella 1,b, Emerson Luís Alberti 2,c, Larissa Mildemberger 3,d, e Luciane Teixeira Rodrigues 3,e 1 Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC), Departamento de Tecnologia em Materiais, Caixa Postal 1967, CEP 1531-9, Curitiba, PR, Brasil 2 Centrais Elétricas do Rio Jordão (ELEJOR), Departamento de Engenharia, Rua José de Alencar, nº 221, CEP 4-7, Curitiba, PR, Brasil 3 Universidade Federal do Paraná (UFPR), Departamento de Química, Caixa Postal 191, CEP 1531-9, Curitiba, PR, Brasil a alex@lactec.org.br, b portella@lactec.org.br, c emerson@elejor.com.br, d larissa@lactec.org.br, e luciane.rodrigues@lactec.org.br Palavras-chave: Concreto compactado com rolo; barragem de usina hidrelétrica; percolação de água; perda de massa iônica; monitoramento preventivo. Resumo Nas últimas décadas, o concreto compactado com rolo (CCR) tem sido amplamente empregado nas obras de usinas hidrelétricas no Brasil. Uma das características intrínsecas deste material é a maior permeabilidade à água, a qual, no entanto, não impede que o seu uso esteja cada vez mais difundido na construção de pequenas, médias e grandes barragens. Vantagens técnicas e econômicas, como a maior facilidade de aplicação, o menor tempo de construção e o reduzido consumo de cimento, têm sido determinantes para o aumento cada vez mais rápido da popularidade do CCR junto à comunidade técnica. Contudo, como qualquer outro material de construção, o CCR necessita de acompanhamento e avaliação periódica constante, especialmente quando fizer parte de estruturas sujeitas à infiltração de água. A passagem da água do reservatório através do corpo da barragem está quase sempre associada à ocorrência de lixiviação de matéria sólida, proveniente do cimento e/ou dos agregados utilizados no concreto. Dependendo da extensão e da distribuição da perda de massa iônica provocada por este fenômeno físicoquímico, intervenções de reparo devem ser planejadas de forma a se garantir a estabilidade e a segurança da estrutura. Uma metodologia para avaliação da perda de massa iônica de uma barragem construída em CCR é proposta neste trabalho. O resultado consiste do produto entre a vazão e a diferença das concentrações iônicas totais de amostras de água percolada coletadas na galeria de inspeção e de amostras de água do reservatório. Após quase um ano de monitoramento periódico de uma barragem do tipo gravidade situada na bacia do rio Iguaçu, no Estado do Paraná, região sul do Brasil, os resultados globais indicaram uma perda de massa iônica da ordem de 2 toneladas ao ano. Cinpar 21 - www.cinpar21.com.ar - cinpar21@scdt.frc.utn.edu.ar
Introdução O concreto compactado com rolo (CCR) apresenta, dentre as suas características principais, o menor consumo de cimento, o reduzido teor de água e a baixa consistência, em comparação ao concreto convencional. Estas propriedades fazem com que as misturas obtidas normalmente sofram uma redução na sua trabalhabilidade, o que requer o emprego de métodos especiais de lançamento e compactação, além da necessidade de um controle de qualidade in situ aperfeiçoado [1]. Nos dias atuais, o uso com sucesso do CCR como material de construção civil já é bem difundido em uma grande variedade de campos de aplicação, desde a pavimentação de rodovias até barragens de usinas hidrelétricas. Os primeiros estudos com relação ao CCR tiveram início no Reino Unido nos anos 194, inicialmente dirigidos ao desenvolvimento de pavimentos de concreto. Nas décadas seguintes, as pesquisas também se concentraram na avaliação do seu emprego em estruturas hidráulicas, resultando na idealização das barragens pioneiras edificadas com esta técnica. As barragens de Shimajigawa e Willow Creek, situadas respectivamente no Japão e nos Estados Unidos, foram as primeiras do mundo inteiramente construídas em concreto compactado com rolo [1]. No Brasil, as aplicações iniciais do CCR ocorreram na construção das barragens de São Simão (1977) e de Saco de Nova Olinda (196), sendo esta última a primeira barragem do país totalmente construída com este material [1]. De acordo com o anuário da International Water Power & Dam Construction, ao final de 27 havia mais de 33 barragens em CCR espalhadas pelo mundo, das quais aproximadamente 6 estavam localizadas em território brasileiro [2]. Uma destas barragens é o objeto de estudo deste trabalho. A estrutura avaliada é parte de um complexo hidrelétrico com 246 megawatts de potência total instalada, situado na bacia do rio Iguaçu, na região sul do Brasil. Trata-se de uma barragem do tipo gravidade com 5 metros de extensão e altura máxima da crista de 67 metros. O volume total de concreto empregado foi de aproximadamente 4. metros cúbicos. Durante a sua construção, sensores de instrumentação e um complexo sistema de drenagem (constituído por 26 drenos de diferentes tipos) foram sistematicamente implementados no corpo da estrutura. A operação da usina hidrelétrica teve início em agosto de 25. Procedimento experimental O procedimento experimental consistiu, basicamente, da coleta bimestral de amostras de água em pontos previamente definidos no interior da galeria de inspeção e no reservatório da barragem. Estes pontos consistiam de drenos de fundação, de cortina e de junta, bem como de medidores de vazão existentes. Ao todo, as amostras de água foram coletadas de 2 locais distintos, conforme especificado na Tabela 1. Cinpar 21 - www.cinpar21.com.ar - cinpar21@scdt.frc.utn.edu.ar
Tabela 1: Pontos de coleta de amostras de água Tipo do ponto de coleta Quantidade Medidores de vazão 2 Drenos de junta 6 Drenos de cortina 9 Drenos de fundação 6 Fissuras 2 Reservatório 3 Observação Reúnem toda a água percolada através do corpo da barragem 2 drenos na margem direita e 4 na margem esquerda 4 drenos na margem direita e 5 na margem esquerda 3 drenos em cada margem da barragem Locais com gotejamento nas proximidades de drenos de junta 3 profundidades distintas: superfície, meio e fundo Total 2 - A seleção dos drenos foi realizada em função da vazão individual dos mesmos, tendo sido escolhidos aqueles que apresentavam os maiores valores. Os diferentes tipos de drenos são mostrados nas fotos da Fig. 1. Nos instantes das coletas, as temperaturas das amostras e as vazões dos respectivos pontos foram medidas e anotadas. Figura 1: Tipos de drenos no interior da galeria de inspeção da barragem: dreno de fundação (esquerda); dreno de cortina (centro); dreno de junta (direita) Depois da obtenção de todas as amostras em cada campanha de coleta, as mesmas foram trazidas ao laboratório para realização de análises físicoquímicas, de acordo com a metodologia da American Public Health Association [3]. Cinpar 21 - www.cinpar21.com.ar - cinpar21@scdt.frc.utn.edu.ar
Foram determinados os seguintes parâmetros: ph, condutividade, alcalinidade total, alcalinidade à fenolftaleína, sólidos suspensos, sólidos dissolvidos, sólidos totais, turbidez, dureza, e concentração iônica (Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, Fe 3+, Al 3+, Si 4+, F, Cl, NO 3, NO 2, SO 4 2, Br, e PO 4 3 ). Os equipamentos utilizados consistiam de um espectrofotômetro de absorção atômica Perkin-Elmer 411 e de um cromatógrafo de íons de alta performance Dionex 21 I. Os resultados das concentrações iônicas das amostras obtidas em cada ponto de coleta foram subtraídos do correspondente valor médio das amostras coletadas no reservatório. Para determinarem-se as quantias de íons lixiviados do concreto, as vazões de cada ponto foram consideradas. No entanto, no cálculo da perda de massa iônica total do corpo da barragem, somente os resultados dos medidores de vazão foram suficientes para permitir tal determinação, uma vez que estes dois pontos situam-se na cota mais baixa da galeria de inspeção e recebem toda a água de percolação da estrutura. A foto de um típico medidor de vazão triangular pode ser vista na Fig. 2. Figura 2: Medidor de vazão triangular típico, situado no interior da galeria de inspeção da barragem As amostras de água percolada foram coletadas, a cada dois ou três meses, no período de outubro de 27 a agosto de 2. Coletas adicionais vêm sendo feitas, pois há a previsão de que o estudo continue por mais tempo. Cinpar 21 - www.cinpar21.com.ar - cinpar21@scdt.frc.utn.edu.ar
Resultados e discussões Análises físico-químicas das amostras de água Os parâmetros físico-químicos das amostras de água coletadas, em cada campanha, nos medidores de vazão (identificados como MV1 e MV2), bem como os respectivos valores de vazão, encontram-se apresentados nos gráficos da Fig. 3. O MV1 recebe toda a água de percolação proveniente da margem esquerda da barragem, enquanto que o MV2 acumula a água percolada na margem direita da estrutura. Os valores médios correspondentes das amostras obtidas no reservatório também são mostrados. 15 1 5 3 2 1 1 6 15 1 5 4 4 45 3 15 3 2 1 6 4 2 15 1 5 ph Temperatura ( o C) Turbidez (NTU) Sólidos dissolvidos (mg/l) Sólidos suspensos (mg/l) Alcalinidade total (mgcaco 3 /l) Alcalinidade à fenolftaleína (mgcaco 3 /l) Condutividade (μs/cm) Dureza (mg/l) Vazão (l/min) Reservatório MV1 MV2 1/1/27 4//27 4/3/2 1/6/2 //2 Figura 3: Variação, ao longo do tempo, dos parâmetros físico-químicos das amostras de água dos medidores de vazão e do reservatório Cinpar 21 - www.cinpar21.com.ar - cinpar21@scdt.frc.utn.edu.ar
Os gráficos mostrando os resultados das concentrações de cátions e ânions das amostras de água obtidas nos medidores de vazão e no reservatório durante as campanhas de coleta são apresentados na Fig. 4 e na Fig. 5, respectivamente. As respectivas vazões também são mostradas. 15 1 5 1,2,,4, 3 2 1 4 1 6 1,5 1,,5, 24 16 Si 4+ (mg/l) Al 3+ (mg/l) Fe 3+ (mg/l) K + (mg/l) Na + (mg/l) Mg 2+ (mg/l) Ca 2+ (mg/l) Reservatório MV1 MV2 15 Vazão (l/min) 1 5 1/1/27 4//27 4/3/2 1/6/2 //2 Figura 4: Variação, ao longo do tempo, das concentrações de cátions das amostras de água dos medidores de vazão e do reservatório Estimativa da perda de massa iônica Os resultados parciais de perda de massa iônica estimados para a barragem como um todo, devidos à lixiviação do concreto pela água percolada através do volume da barragem são apresentados na Fig. 6. Os dados são mostrados para cada campanha de coleta de amostras, realizadas periodicamente desde outubro de 27. No gráfico maior constam os resultados totais de perda de massa iônica, bem como os resultados individuais para os medidores de vazão MV1 e MV2. Informações acerca da vazão e do nível de água do reservatório podem ser visualizadas no gráfico inferior. É possível perceber-se que os valores de perda de massa iônica e de vazão possuem uma relação direta com o nível do reservatório, o que é um comportamento perfeitamente normal e esperado, devido à pressão hidrostática atuante nas paredes de montante da barragem. Cinpar 21 - www.cinpar21.com.ar - cinpar21@scdt.frc.utn.edu.ar
Reservatório MV1 MV2 1, 1,2 PO 3-4 (mg/l),6,,, Br - (mg/l),4, 24 16 SO 2-4 (mg/l),6,4 NO - 3 (mg/l),2, 6 NO - 4 2 (mg/l) 2 Cl - (mg/l) 4,3,2 F - (mg/l),1, 15 Vazão (l/min) 1 5 1/1/27 4//27 4/3/2 1/6/2 //2 Figura 5: Variação, ao longo do tempo, das concentrações de ânions das amostras de água dos medidores de vazão e do reservatório Considerando-se o valor médio de perda de massa iônica das cinco campanhas realizadas, o qual é de 167 kg/mês, a quantia anual estimada para a perda de massa iônica chega a atingir 2 toneladas. O valor obtido encontra-se dentro da normalidade se considerarmos que o mesmo representa meros,16% da massa total de concreto da barragem, que é de aproximadamente 1.272. toneladas. Além disso, devese ter em mente que a perda de massa iônica estimada é um parâmetro global, pois inclui toda a água de infiltração que percola através da estrutura e converge para os medidores de vazão. Por essa razão, é importante efetuar também a estimativa das perdas de massa individuais para cada dreno ou, ao menos, para aqueles que apresentarem as maiores vazões de maneira a ser possível detectar-se a ocorrência de eventuais perdas de massa expressivas que possam se transformar em problemas estruturais em regiões específicas da barragem. A colocação deste procedimento em prática é importante para dar subsídios técnicos precisos aos engenheiros de campo e às equipes de manutenção civil, de forma a poderem ser planejadas intervenções imediatas e futuras para reparo ou recuperação das estruturas, quando necessário. Cinpar 21 - www.cinpar21.com.ar - cinpar21@scdt.frc.utn.edu.ar
Perda de massa iônica (kg/mês) 4 35 3 25 2 15 1 5 Perda de massa iônica do MV1 Perda de massa iônica do MV2 Nível do reservatório 1 5 795 79 75 Ní l d tó i( ) Vazão (l/min) 5 1 15 2 25 3 OUT 27 DEZ 27 MAR 2 JUN 2 AGO 2 Vazão do MV1 Vazão do MV2 7 Figura 6: Perda de massa iônica mensal estimada para cada período Conclusões Apesar do estudo ainda se encontrar na fase inicial somente cinco campanhas de coleta foram realizadas o procedimento de avaliação proposto demonstrou ser um método apropriado para a estimativa da perda de massa iônica causada pela infiltração da água no corpo da barragem em CCR. Informações importantes concernentes à percolação de água global puderam ser obtidas, bem como dados individuais relativos aos outros 23 drenos e fissuras (avaliados, porém não apresentados neste trabalho). Considerando-se os resultados médios bimestrais de perda de massa iônica, apresentados por ambos os medidores de vazão MV1 e MV2, chega-se a um valor anual estimado de aproximadamente 2. kg. Além disso, também verificou-se uma relação direta entre a vazão e a perda de massa iônica. O monitoramento periódico e constante da perda de massa iônica de drenos, juntas e fissuras pode indicar a existência de danos estruturais causados pela lixiviação do concreto, da argamassa, do cimento ou até mesmo dos agregados presentes na composição do CCR. Desta forma, a continuidade desde estudo é essencial não apenas para prover as equipes de manutenção com dados precisos, mas acima de tudo para garantir a estabilidade e a segurança da barragem. Cinpar 21 - www.cinpar21.com.ar - cinpar21@scdt.frc.utn.edu.ar
Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer ao LACTEC, à ELEJOR, à COPEL, à ANEEL e ao CNPq (PIBITI) pelo apoio técnico e suporte financeiro na execução deste trabalho. Referências [1] Andriolo F. R. The Use of Roller Compacted Concrete. Oficina de Textos, São Paulo, 199. [2] International Water Power & Dam Construction. Year Book 27. IWPDC, United Kingdom, 27. [3] American Public Health Association. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. APHA, Washington, 199. Cinpar 21 - www.cinpar21.com.ar - cinpar21@scdt.frc.utn.edu.ar