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O EMPREGO DO PERMEÂMETRO DE GUELPH NA DETERMINAÇÃO DA

PERMEABILIDADE DO SOLO, DE CAMADAS DE LIXO E SUA COBERTURA

Adriana Briggs de Aguiar

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS

PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS

PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA

CIVIL.

Aprovada por:

_________________________________________________

Prof. Cláudio Fernando Mahler, D. Sc.

_________________________________________________

Prof. Maurício Ehrlich, D. Sc.

_________________________________________________

Prof. Márcio de Souza Soares de Almeida, D. Sc.

_________________________________________________

Prof. Theophilo Ottoni Filho, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

JUNHO DE 2001

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AGUIAR, ADRIANA BRIGGS DE

O emprego do Permeâmetro de Guelph na

determinação da permeabilidade do solo, de camadas

de lixo e sua cobertura [Rio de Janeiro] 2001

XVII, 90 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M. Sc.,

Engenharia Civil, 2001)

Tese – Universidade Federal do Rio de Janeiro,

COPPE

1. Permeabilidade

2. Permeâmetro de Guelph

I. COPPE/UFRJ II. Título (série)

3

Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a

obtenção do grau de Mestre em Ciências (M. Sc.)

O EMPREGO DO PERMEÂMETRO DE GUELPH NA DETERMINAÇÃO DA

PERMEABILIDADE DO SOLO, DE CAMADAS DE LIXO E SUA COBERTURA


Junho/2001

Orientador: Cláudio Fernando Mahler

Programa: Engenharia Civil

O presente trabalho descreve alguns ensaios de permeabilidade realizadas com o

Permeâmetro de Guelph, que é um aparelho para realização de ensaios in situ para a

obtenção da condutividade hidraulica saturada, através de um furo com carga de pressão

constante.

Realizaram-se ensaios em leiras construídas para um projeto piloto de pré-

tratamento de lixo, ou seja, em um material mecanicamente pré tratado, em um solo, cujas

características eram previamente conhecidas, utilizando soluções com diferentes

concentrações eletrolíticas e em talude de cobertura de aterro sanitário, cuja inclinação

inviabilizaria qualquer ensaio in situ tradicional.

O interesse cada vez maior sobre as características de um aterro sanitário e as

dificuldades e custos dos ensaios de permeabilidade in situ mais conhecidos e estudados,

tornam este estudo de muita utilidade e importância. Apesar do ensaio com o Permeâmetro

de Guelph não resolver o problema da representatividade dos resultados, ele pode ser

realizado em maior quantidade de pontos, pois não é necessário muito tempo para realizá-

lo, nem para a retirada de amostras indeformadas de lixo.

4

Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements

for the degree of Master of Science (M. Sc.)

THE USE OF GUELPH PERMEAMETER TO DETERMINE SOIL PERMEABILITY,

WASTE PERMEABILITY AND LANDFILL CAP PERMEABILITY


June/2001

Advisor: Cláudio Fernando Mahler

Department: Civil Engineering

In this work, the Guelph Permeameter is used and some permeability tests are

described. The hydraulic conductivity of saturated soils is measured in situ with this

constant head well permeameter.

Some tests were done in two waste windrows constructed to obtain a settlement

model. Some tests were done with different electrolyte concentrations and some others

were done in a landfill cap.

The difficulties, the time spent and the cost of traditional in situ permeability tests

were the reasons to develop tests using Guelph permeameter. Despite the low

representativeness of the results, it is possible to perform several tests in a short period of

time, without the use of undisturbed test specimen.

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AGRADECIMENTOS

Aos meus colegas de curso que tornaram

o mestrado muito agradável;

Aos mestres que transmitiram seus conhecimentos

de forma tão competente;

À Bianca por me ensinar a trabalhar com o Guelph;

À Maria da Glória que preparou tão gentilmente

as soluções salinas;

Ao Júlio pela companhia nos ensaios em Santo Amaro;

Ao meu orientador Cláudio Mahler pela sua

paciência e seu apoio;

Aos meus amigos por estarem sempre presentes;

Aos meus familiares pela torcida;

À Cecília pelas fotos digitalizadas;

Ao meu irmão, meus pais e meu marido pelo

grande incentivo, não deixando que eu

desanimasse. E pelo amor que nos une e me dá ânimo

para continuar sempre.


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ÍNDICE

1. Introdução 01

1.1. Considerações Iniciais 01

1.2. Objetivos do Trabalho 01

2. Revisão Bibliográfica 03

2.1. Permeabilidade 03

2.2. Lei de Darcy 04

2.3. Ensaios de Permeabilidade 05

2.4. Líquido Percolante 10

2.4.1. Água 10

2.4.2. Contaminante 12

2.5. Dupla Camada Difusa 13

3. Permeâmetro de Guelph 17

3.1. Fundamentos Teóricos 22

3.2. Fundamento Operacionais 24

3.3. Experiências Realizadas 31

3.3.1. Leiras de pré tratamento mecânico biológico 31

3.3.2. Estação Agrometeorológia Experimental 34

3.3.3. Aterro Sanitário Santo Amaro 41

3.3.4. Tabela de Resultados Experimentais 45

4. Análise dos Resultados 47

4.1. Usina de Reciclagem de Jacarepaguá 47

4.2. Estação Agrometeorológia Experimental 50

4.3. Aterro Sanitário Santo Amaro 54

5. Conclusão 55

5.1. Sugestões de estudos futuros 56

6. Bibliografia 57

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1. INTRODUÇÃO

1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Quando se fala em preservação do meio ambiente, imediatamente nosso

pensamento é voltado para as florestas, os mares, a biodiversidade... Problemas grandes,

importantes e reais. Mas o lixo era esquecido. O problema se resolvia a partir do momento

que este era recolhido e levado para bem longe. Ninguém se interessava em saber para onde

foram os resíduos e como foram dispostos.

Há pouco tempo, com o aumento muito grande da quantidade de resíduos sólidos

urbanos e do aumento de periculosidade das substâncias rejeitadas, é que se atentou para o

fato de que o lixo é um problema para os solos, as águas e a atmosfera. Descobriu-se, então,

que pouco se sabia sobre o comportamento de um aterro de lixo. Sua composição, seus

parâmetros de resistência, sua permeabilidade, entre outros eram desconhecidos.

Por isso se faz importante que pesquisas sejam realizadas para que tais parâmetros e

os comportamentos mecânico e químico sejam conhecidos e compreendidos, que novos

aparelhos sejam desenvolvidos e/ou testados para caracterizar os aterros de resíduos

sólidos, além de novas técnicas de disposição final do lixo ou seu reaproveitamento.

1.2. OBJETIVOS DO TRABALHO

O objetivo deste trabalho, foi estudar a viabilidade e eficiência do uso do

Permeâmetro de Guelph na medição da permeabilidade de coberturas de aterros e outros

meios porosos heterogêneos relacionado a resíduos sólidos. Pesquisou-se, além disto, a

8

influência de diferentes fluidos na permeabilidade, fator este relevante no estudo de liners

de aterros de resíduos sólidos.

A tese consta de três experiências feitas com o Permeâmetro de Guelph. Este

permeâmetro foi desenvolvido para ensaios em solos homogêneos, rígidos e isotrópicos,

mas o objetivo do trabalho foi testá-lo em situações e meios diferentes dos que foram

primordialmente idealizados. O fato de ser um aparelho muito prático de carregar, instalar e

manejar, foi a motivação para estender seu uso. Hoje em dia os ensaios de permeabilidade

in situ são muito demorados e os aparelhos grandes e complicados.

A primeira experiência foi feita em leiras, que faziam parte do projeto de pré

tratamento do lixo da empresa alemã FABER AMBRA – Projeto COPPETEC (EC-671),

em experiência realizada no pátio da Usina de Compostagem da COMLURB em

Jacarepaguá. Neste caso o objetivo era verificar o comportamento do permeâmetro em

resíduos sólidos mecanicamente pré tratados e em processo aeróbio de degradação.

A Segunda se deu em um solo da Ilha do Fundão. O local escolhido foi a área onde

está a Estação Agrometeorológica Experimental da UFRJ, ao lado do CCMN. A escolha se

deve ao fato de já termos caracterizado o solo desta área. O objetivo, então, foi comparar a

velocidade de percolação da água neste solo com a velocidade de percolação de uma

solução de CaSO4. Logo, se provaria que o Permeâmetro de Guelph também pode ser

utilizado com soluções diferentes da água, desde que estas sejam compatíveis com o

material com o qual o Guelph é construído.

E, finalmente, a última experiência foi no solo de cobertura do aterro de Santo

Amaro. Nesta experiência, seria verificado de maneira rápida e prática se a permeabilidade

da cobertura do aterro estava dentro das normas, com o objetivo específico de avaliar ou

não a eficácia do permeâmetro neste tipo de meio. Além disso, os ensaios foram realizados

em taludes onde, a princípio, os métodos tradicionais de ensaios de permeabilidade in situ

não poderiam ser realizados por causa da inclinação.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 PERMEABILIDADE

Do dicionário se tira que permeabilidade é “a qualidade do que é permeável”. E

permeável é “o que pode ser repassado ou transpassado; diz-se do terreno que absorve

facilmente as águas”. Sabe-se, entretanto, que todos os solos, por serem meios porosos, são

permeáveis, uns mais, outros menos. E a velocidade desta percolação é pesquisada, pois ela

será importante para a verificação da eficiência de barreiras de contaminantes, para o

cálculo do balanço hídrico e da quantidade de água necessária para irrigação e para o

estudo de inúmeros problemas geotécnicos como, por exemplo, a estabilidade de encostas.

Neste estudo as expressões permeabilidade e condutibilidade serão usadas

indistintamente, significando condutividade hidráulica.

A composição mineralógica, o tamanho e a distribuição das partículas do solo, os

vazios do solo e as características dos fluidos percolantes são fatores que influenciam a

condutividade hidráulica do solo, ou permeabilidade. Outro fator importante de influência

na velocidade de percolação dos fluidos no solo é a presença de matéria orgânica, a qual

pode diminuir a permeabilidade do solo quando encontrada em quantidades menores e

totalmente decomposta, ou pode aumentar a permeabilidade quando encontrada em grande

quantidade no solo e pouco decomposta.

Segundo Stephens (1996), a velocidade de percolação, na zona não saturada, varia

em função das propriedades do meio poroso, das características do fluido e do teor de

umidade volumétrica do material. Quanto maior a umidade, maior a condutividade

hidráulica, pois a área útil condutora de água vai se tornando menor à medida que o teor de

água decresce. É, então, fácil constatar que na zona saturada, a velocidade varia somente

em função das propriedades do meio poroso e das características do fluido.

10

2.2 LEI DE DARCY

Em 1856, Henry Darcy definiu a vazão como:

onde,

q = vazão (m3/s)

k = condutividade hidráulica (m/s)

i = gradiente hidráulico = ∆H/L

∆H = perda de carga do fluxo (m)

L = comprimento da amostra (m)

A = área da amostra perpendicular ao fluxo (m2)

Na Lei de Darcy, a vazão depende não só das propriedades dos poros, mas também

das propriedades da solução percolante (Olson e Daniel, 1981), o que pode ser observado

considerando-se que:

onde,

K` = permeabilidade intrínseca do solo (m2)

γ = peso específico do líquido percolante (g/m2s2)

µ = viscosidade do líquido percolante (g/ms)

A permeabilidade intrínseca é função somente das propriedades do material poroso,

não do líquido percolante.

ALHkAikq ⋅

∆⋅=⋅⋅=

µγ⋅′= Kk

(equação 2.1)

(equação 2.2)

11

2.3 ENSAIOS DE PERMEABILIDADE

Diversos ensaios para determinação do coeficiente de permeabilidade têm sido

desenvolvidos e aperfeiçoados ao longo do tempo. Busca-se através disto uma maior

representatividade nos resultados, a redução dos custos dos ensaios e o aperfeiçoamento

dos aparelhos de medição em campo, tornando-os mais práticos e de fácil utilização.

Alguns dos ensaios mais usados para a determinação da condutividade hidráulica dos

solos serão a seguir descritos:

A) Ensaios de carga constante ou variável em laboratório

Nestes ensaios, a coleta de amostra de solo no campo tem que ser feita sob

condições controladas, com amostra indeformada, que pode ser submetida a ensaios de

carga constante ou variável. Em ambos os casos, a amostra é colocada em um cilindro

de comprimento L e área transversal A e fechada entre duas placas porosas. No ensaio

de carga constante, a amostra é submetida a uma carga constante H até que se atinja a

saturação e que o fluxo de saída Q se torne constante. A permeabilidade é calculada

através da equação proposta por Darcy:

No permeâmetro de carga variável , é utilizada a diferença entre as cargas em um

determinado intervalo de tempo. A equação para o cálculo da condutividade hidráulica

é a seguinte:

AHQLK = (equação 2.3)

12

a = área da seção transversal do tubo onde a variação de carga é medida

H0 = carga inicial

H1 = carga final

t = intervalo de tempo

O ensaio de carga constante é mais usado em solos arenosos, enquanto o ensaio de

carga variável é mais usado em solos argilosos devido `a grande diferença de

permeabilidade dos dois solos e o tempo que seria necessário para um solo argiloso

num ensaio de carga constante (Vargas, 1981).

B) Ensaios in situ

B.1) Poços e furos

Nestes ensaios, muito utilizado pela Geologia de Engenharia, se obtém a

condutividade hidráulica saturada. Podem ser realizados tanto com carga constante

quanto com carga variável e permitem trabalhar com infiltração ou bombeamento de

água.

Para aqüífero freático (solos granulares), os ensaios para obtenção da condutividade

hidráulica não saturada têm duas fases, a fase transiente, enquanto o NA é rebaixado e

a de regime estacionário, quando a vazão se torna constante. Na fase transiente a

interpretação dos resultados é mais difícil e na de regime estacionário, usam-se duas

hipóteses de Dupuit:

• o gradiente hidráulico é constante numa vertical;

• o gradiente hidráulico é dado pela inclinação da superfície livre (i ≅ dz/dr).

=

1

0lnHH

AtaLK (equação 2.4)

13

O ensaio coloca em fluxo todo o aqüífero e quando Khoriz. ≠ Kvert, o ensaio fornece

Khoriz (Caputo, 1981)

Para aqüífero confinado, pode-se usar o ensaio de bombeamento.

B.2) Hvorslev

Outro ensaio que determina a permeabilidade de meios saturados in situ, utiliza o

método de Hvorslev, no qual são usados piezômetros instalados até a profundidade

ensaiada. Da mesma forma que o método anterior, este ensaio pode ser realizado

através de adição ou remoção de água do piezômetro. A variação do nível d’água em

determinado intervalo de tempo é registrada até que se atinja o estado de equilíbrio

(ABCP, 1980).

B.3) Infiltrômetro de anel duplo

Este infiltrômetro tem as seguintes características: dois cilindros metálicos de 3mm

de espessura e 30cm de altura, com diâmetros de 30 e 50cm, com uma das bordas

biseladas para facilitar a penetração no solo. Os cilindros são cravados a percussão.

Para a realização do ensaio, coloca-se água no cilindro interno até que se forme uma

lâmina de 7,5cm de altura e entre os cilindros interno e externo de 5cm. Com auxílio de

uma régua graduada, lê-se o posicionamento do nível d’água aos 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20,

30, 45, 60, 90 e 120 minutos e, se for preciso, continua-se a leitura em intervalos de 1

hora até que a velocidade determinada de entrada de água no solo seja praticamente

constante (ABCP, 1980).

B.4) Câmara de Fluxo

A Câmara de Fluxo é, basicamente, um cilindro metálico de aço inox, com 1mm de

espessura, diâmetro de 80cm e altura de 80cm. Sua base possui um marial de aço-

carbono para dar maior resistência à cravação.

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A cravação ocorre por pressão exercida por macaco hidráulico de 10t e conta,

também, com o auxílio de um sistema de contra pesos e de uma mesa de cravação.

A câmara é cravada a 70cm de profundidade e o ensaio de permeabilidade com a

câmara de fluxo, é realizado seguindo-se as mesmas rotinas do infiltrômetro de anel

duplo (Fabian e Ottoni Filho, 1997).

B.5) Perfil Instantâneo

É outro método para se determinar a permeabilidade não saturada no campo. São

instalados instrumentos no solo para medição da carga de pressão e do conteúdo de

água. Inicialmente este solo é submetido a uma taxa de infiltração até que se alcance um

regime estacionário. Depois de alcançado, interrompe-se a recarga, sendo permitida a

redistribuição da água dentro do solo. Este processo de redistribuição é acompanhado

por medidas periódicas de umidade que são utilizadas no cálculo da condutividade

(ABCP, 1980).

C) Ensaio em rocha – Ensaio de Lugeon:

Este ensaio permite obter uma informação quantitativa sobre a circulação da água

em rochas fissuradas, com o objetivo de julgar as possibilidades de consolidação por

injeções.

Injeta-se num furo de sondagem feito por obturadores, água sob pressão constante.

A pressão injetada (pm) é controlada por um manômetro e a descarga calculada por um

hidrômetro, obtendo-se um volume injetado num certo intervalo de tempo. Quando pm for

10Kg/cm2 e a formação ensaiada absorver 1 litro por minuto por metro de perfuração, a

perda de água foi de uma unidade de Lugeon.

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Realizam-se ciclos de carregamento e descarregamento, e em cada estágio a pressão

é mantida por 5 a 10 minutos após o estabelecimento de um escoamento permanente.

Traça-se, assim, uma curva descarga x pressão que permite calcular, sob certas condições,

uma estimativa do coeficiente de permeabilidade e a permeabilidade de Lugeon (ABCP,

1980).

Método de cálculo

pe = pressão efetiva

pm = pressão manométrica

pc = pressão de carga na canalização

H = altura potencial

Os ensaios de permeabilidade realizados em laboratório são mais controlados, mas,

por mais que se tenha cuidado na retirada da amostra, sempre se causa alguma perturbação.

Além disso, estes ensaios têm menor representatividade do que um ensaio de campo, já que

uma amostra não pode englobar algumas estruturas do solo tais como raízes, macroporos e

fraturas .

Já os ensaios em campo, apesar de terem uma maior representatividade, são menos

controlados e, muitos, requerem a instalação de aparelhos pesados e complicados, sendo

muito lentos e caros, além de perturbarem as condições naturais do solo. Além disso, na

maioria dos ensaios in situ, o estado de tensões não pode ser controlado e o gradiente

hidráulico não pode ser medido com acurácia. Por isso a condutividade hidráulica é,

geralmente, uma estimativa conservadora (Benson et al., 1994).

Muitos autores já discorreram sobre este assunto. Daniel (1984) constatou que a

medida da condutividade hidráulica feita em liners no campo é geralmente 10 a 1000 vezes

maior que a feita em laboratório. Daniel e Day (1985) acharam resultados semelhantes e

1010c

mepHpp −+= (equação 2.5)

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concluíram que as amostras de laboratório são muito pequenas para incorporar os

macroporos presentes no campo, enquanto o volume de solo englobado no ensaio com

anéis pode representar todo o liner. Elsbury et al (1988) também concluíram que as

medidas de condutividade hidráulica diferem substancialmente se feitas em laboratório ou

no campo.

A melhor forma de determinar a permeabilidade do solo é através de lisimetros, que

são blocos de grandes dimensões nos quais o volume de água que entra e sai é medido,

além da evaporação, da evapotranspiração, em um intervalo de tempo.

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2.4 LÍQUIDO PERCOLANTE

O líquido percolante desempenha um papel muito importante na medida da

condutividade hidráulica.

Pode-se usar como percolante a água ou uma solução contendo um contaminante.

Neste último caso, deve-se tomar precauções quanto a compatibilidade do aparelho

escolhido para o ensaio de permeabilidade e a natureza química do contaminante.

A seguir, alguns comentários serão tecidos sobre o uso da água e de contaminantes

como líquidos percolantes.

2.4.1 ÁGUA

Quando a água é a solução escolhida para percolar através do solo, as características

mais importantes a se considerar, são a quantidade de oxigênio dissolvido, o tipo e a

concentração de eletrólitos, a turbidez, os nutrientes presentes e a população de

microorganismos (Daniel, D. E.,1994).

Segundo Daniel (1994), a melhor água a ser usada para ensaios de permeabiliadede

é a deaerada, que contenha menos que 1 a 2 mg/l de oxigênio dissolvido. Já Shackelford

(1994), diz que o uso tanto da água destilada e da deaerada, não é recomendado, pois os

resultados podem ser pouco representativos, isto é, muito baixos (Olson e Daniel 1981,

Dunn e Mitchell 1984, Evans e Fang 1988 e ASTM D 5084). A “água padrão”, que é uma

solução de 0,01N CaSO4 tem sido bastante usada, pois se assemelha mais a água natural

(Olson e Daniel 1981, Foreman e Daniel 1984, Acar et al. 1985, Bowders 1985, Fernandez

e Quigley 1985, Bowders e Daniel 1986 e Bowders et al. 1986).

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Pode-se ver na tabela abaixo alguns padrões de referência para água usada em

ensaios de permeabilidade.

Tipo de água Referência

Condutividade

elétrica máxima EC

(µS/cm)

Concentração

Iônica máxima

I (moles/l)

Destilada 1,0 0,000013

Deionizada - destilada 0,2 0,0000026

Reagente Tipo I ASTM D 1193 0,06 0,00000078

Reagente Tipo II ASTM D 1193 1,0 0,000013

“Padrão” (0,01N CaSO4) Olson e Daniel

(1981)

1538 0,02

0,05N CaSO4 ASTM D 5084 769 0,01

Tabela 2.1 : Tipos de água para ensaios de permeabilidade a 250C (Shackelford, 1994)

19

2.4.2 CONTAMINANTES

Os líquidos contaminantes podem ser classificados da seguinte forma:

Figura 2.1: Classificação dos líquidos contaminantes (Shackelford, 2000)

Na passagem pelo solo, os líquidos contaminantes reagem químicamente com o

solo, alterando, muitas vezes, suas características mecânicas e sua condutividade hidráulica.

As soluções inorgânicas causam alterações no arranjo dos grãos e no espaço entre as

partículas, enquanto as soluções orgânicas, podem mudar a estrutura do solo, modificando

substancialmente suas características físicas e mecânicas.

Conta-minant

LíquidoImiscíve

LíquidoMiscível

LNAPL(menos

denso quea água)

DNAPL(mais

denso que

SoluçõesQuímicas

Inorgânicas

SoluçõesOrgânicasHidrófilas

Ácidos

Bases Org.

Componentes PolaresNeutros

Ácidos

Sais

Bases

20

Se faz aqui necessário apresentar algumas definições dos principais mecanismos de

interação solo-contaminante (Barbosa, 2000).

Precipitação – há a formação de uma nova substância na superfície do solo ou

na solução intersticial que se precipita na fase sólida.

Dissolução – remoção de espécies químicas da fase sólida para a solução

intersticial, provocando erosão da estrutura dos argilominerais.

Reações de oxi-redução – envolvem a transferência de elétrons. Na oxidação há

perda de elétrons, enquanto na redução há ganho de elétrons.

Reações ácido-base – envolvem a transferência de prótons de um ácido para

uma base.

Complexação / Quelação – a combinação de um cátion a vários ânions ou

moléculas por ligação covalente. Os complexos formados podem ser solúveis ou

insolúveis.

Sorção – envolve a transferência do soluto da fase líquida para a superfície das

prtículas sólidas. Não implica necessariamente em formação de nova substância.

Dessorção – transferência de partículas da superfície sólida para a fase líquida.

Processos microbiológicos – ação de bactérias e microorganismos presentes no

solo atuando como catalisadores de reações de oxi-redução e na transformação

química de algumas substâncias.

2.5 DUPLA CAMADA DIFUSA

A interação das partículas do solo, dos cátions adsorvidos e da água, é causada pelo

desequilíbrio das forças de cada componente. De acordo com Mitchell (1976), quando duas

partículas se aproximam, seus campos de força começam a reagir e podem influenciar todo

o sistema se as magnitudes destas forças forem grandes em relação ao peso das próprias

partículas. Isso explica a atividade das argilas, pois têm um tamanho muito reduzido e uma

superfície específica bem grande.

21

A superfície das partículas de argila é, geralmente, carregada negativamente. Para

neutralizar esta eletronegatividade, há a associação de cátions, que, por sua vez, têm ânions

associados, formando sais precipitados. A superfície argílica carregada e a distribuição de

cargas da fase adjacente compõe o que denomina-se de dupla camada difusa. Esta teoria foi

apresentada primeiramente por Gouy (1910) e alterada por Chapman (1913).

A distribuição dos íons adjacentes à superfície da argila pode ser representada da

seguinte forma:

Figura 3.1: Distribuição esquemática dos íons adjacentes às partículas de argila (Mitchell,

1976)

Mudanças nas interações entre duplas camadas, podem acarretar mudanças nas

propriedades físicas e físico-químicas do solo. Entretanto, estas trocas não afetam a

estrutura das argilas. As reações de troca envolvem substituições de um íon por outro ou

por grupos de outros íons com a mesma carga total.

Segundo Mitchell, os cátions mais comuns nos solos são: cálcio (Ca2+), magnésio

(Mg2+), sódio (Na+) e potássio (K+). Enquanto os ânions mais comuns são: sulfatos (SO42-),

cloretos (Cl-), fosfatos (PO43-) e nitratos (NO3

-).

Cátion

Ânions

Distância da superfície da

Concentraç

22

A espessura da dupla camada difusa é uma das causas para a variação entre atração

e repulsão entre as partículas. A espessura é dependente da densidade de carga na

superfície, do potencial elétrico da superfície, da concentração eletrolítica, da valência do

cátion, do pH, da constante dielétrica do meio e da temperatura (se houver uma mudança

brusca de temperatura entre o local e o laboratório, se recomenda o ensaio in situ).

A variação de algumas destas características propicia alteração no comportamento

no sistema, pois as forças de repulsão e atração dependem da interação entre duplas

camadas adjacentes. Geralmente, um aumento da espessura da dupla camada difusa,

acarreta uma diminuição na tendência das partículas em suspensão flocularem.

A espessura da dupla camada pode ser expressa da seguinte forma:

Onde:

1/K = espessura da dupla camada elétrica

ε0 = 8,8542 x 10-12 C2J-1m-1

D = constante dielétrica

k = constante de Boltzman

T = temperatura

n0 = concentração iônica

v = valência catiônica

Quanto mais espessa for a dupla camada, mais estreito e tortuoso será o caminho

das soluções pelo solo, logo, menor será a condutividade hidráulica.

Podemos notar que solos argilosos onde são percolados líquidos contendo cátions

monovalentes (ex.: Na+, K+) terão uma condutividade hidráulica menor do que quando

21

220

0

21

⋅⋅⋅⋅⋅⋅

=venTkD

Kε

(equação 3.1)

ila (carga

1/K = espessura dadupla camada

Distânciaquecontrola acondutivida

percolados por líquidos polivalentes. Notamos também que se as soluções percoladas forem

fortemente salinas (alta concentração eletrolítica), a condutivadade hidráulica aumentará.

Se for usada água destilada, a condutividade tende a ser muito baixa, já que n0 é

praticamente zero.

Fig. 3.2: Dupla Camada Difusa

Vários estudos vêm sen

partículas do solo e a solução pe

Anderson e Jones 1983, Griffin

1987, Goldman et al. 1988 e Sha

Part. de arPPart. carregada

carga

FluxoDupla CamadaDifusa de cátionse água adsorvidos

Part. de argila (Part. carregada

23

e seus efeitos na Condutividade Hidráulica (Daniel, 1994)

do realizados para demonstrar que a interação entre as

rcolante influem na condutividade hidráulica, por exemplo:

e Roy 1985, Madsen e Mitchell 1987, Mitchell e Madsen

ckelford 1994.

24

3 PERMEÂMETRO DE GUELPH

O Permeâmetro de Guelph é um permeâmetro de furo e de carga hidráulica

constante que mede a condutividade hidráulica saturada de campo acima do lençol freático.

Foi visto como uma nova tentativa para o uso de permeâmetros de furo, já que por muitos

anos este método não foi utilizado pois subestimava de 33 a 61% o valor da condutividade

hidráulica saturada (Reynolds et al. 1983).

É composto de uma garrafa de Mariotte que controla a carga constante de água

dentro do furo, um tubo de acrílico com uma régua graduada onde a água é introduzida e

um tripé que permite adaptar o aparelho a terrenos irregulares. Algumas das vantagens

deste método de campo são: a leveza do aparelho, a facilidade de poder ser operado por

uma única pessoa, a rapidez dos ensaios e a pouca quantidade de água (0,5 a 2l) por ensaio.

Após algum tempo, que dependerá, dentre outros fatores, da umidade antecedente

do solo e da sua textura, uma pequena área em torno do furo estará saturada (ver figura 3.1)

e, então, o fluxo torna-se constante. Este valor de fluxo é utilizado no cálculo da

permeabilidade. Durante o ensaio, na verdade, não é conseguida a saturação total, e sim

uma chamada saturação de campo, pois no campo não se consegue expulsar completamente

o ar dos vazios. Isto não chega a ser uma desvantagem visto que a saturação total é muito

difícil de ser atingida em uma situação real. Logo a condutividade obtida será a

condutividade hidráulica da saturação de campo (Kfs – hydraulic conductivity at field

saturation).

25

Figura 3.1: Bulbo de saturação formado em volta do furo

O Permeâmetro de Guelph é projetado para medir a condutividade entre 10-2 e 10-6

cm/s. Abaixo ou acima destas ordens de grandeza, as medições apresentam erros ou não se

consegue realizar o ensaio.

A recarga de água no furo está submetida a três tipos de fluxo: um de pressão radial ao

longo das paredes e dois verticais na base, um de pressão e outro gravitacional. Ao

considerar a variação destes fluxos ao longo da base e das paredes do furo, desenvolveu-se

um método semi analítico e numérico para a estimativa da permeabilidade saturada de

campo. Mas, para a aplicação destes métodos, algumas condições têm que ser consideradas:

• Meio poroso rígido, homogêneo e isotrópico;

• Fluxo em regime permanente;

• Domínio de fluxo em um semi espaço infinito.

Para os cálculos do coeficiente de permeabilidade, geralmente são feitos ensaios

com duas cargas de pressão (H1 e H2). Com cada carga aplicada, se obtém as vazões (Q1 e

Q2). A condutividade hidráulica será:

1122 QGQGK −= (equação 3.1)

26

onde

( ) ( )[ ]12212

1221

121 2 CHCHaHHHH

CHG−+−

=π

a = raio do buraco

C = parâmetro retirado do gráfico 3.1 (C x H/a)

Para melhores resultados, a relação H/a deve ser a maior possível para aumentar o

fluxo de pressão tridimensional (que atinge fluxo constante mais rápido e envolve uma

região molhada finita) e minimizar o fluxo unidimensional gravitacional. E quanto maior o

volume e o tempo envolvidos no ensaio, maior importância as dá ao fluxo gravitacional

(Reynolds et al. 1983).

A equação acima também leva em conta os efeitos não saturados ( capilaridade e

pressão inicial do solo).

Para meios heterogêneos e com grandes vazios, os cálculos utilizando mais de uma

carga de pressão, levam a resultados negativos. Para evitar isto, Elrick et al. (1989)

propuseram um ensaio que utilizasse somente uma carga de pressão. A equação fica desta

forma:

++

=

*22 22

απ

ππHaCH

CQK s

( ) ( )[ ]12212

1221

212 2 CHCHaHHHH

CHG−+−

=π

(equação 3.2)

(equação 3.3)

(equação 3.4)

27

α* = Kfs/φm = parâmetro de acordo com o tamanho dos poros (valor tabelado)

φm = fluxo mátrico

O termo

*

2απH está relacionado com a capilaridade e quanto menor for H, menor

será a influência de α*.

Tamanho médio de poros α* (m-1)

Materiais argilosos compactados e

estruturados

1

Materiais com grãos finos (argilosos) e não

estruturados

4

Argilas, areias fina e média 12

Solos com grãos graúdos e solos

estruturados com fissuras e macroporos.

36

Tabela 3.1: Relação de solos com α* (Reynolds et al., 1991)

28

Gráfico 3.1: H/a x C (Reynolds, 1983)

29

3.1 FUNDAMENTOS TEÓRIOS

O fluxo em um furo acima do nível da água acontece por uma pressão radial através

das paredes do furo (vr), por uma pressão vertical através da base do furo (vz) e por uma

pressão gravitacional através da base do furo (vg).

Tais fluxos podem ser expressos pela Lei de Darcy:

Onde:

ψp = poro pressão de água relativa à altura H

ψz = elevação relativa à base do furo

rr

Kv pfsr ˆ

∂

∂⋅−=ψ

kz

Kv pfsz

ˆ∂

∂⋅−=ψ

kz

Kv zfsg

ˆ∂∂⋅−=ψ

(equação 3.1.1)

(equação 3.1.2)

(equação 3.1.3)

30

O fluxo total (Qt) é definido como:

Onde:

dAp = diferencial de área da parede do furo

dAb = diferencial de área da base do furo

Substituindo as equações e simplificando temos:

Usando variáveis adimensionais:

r* = r/a z* = z/H ψp* = ψp/H, temos:

ou ainda:

∫∫∫ ⋅+⋅+⋅=Ab

bgbAb

zAp

prt dAvdAvdAvQ

( )rdzadAp ˆ2 ⋅= π

( )kdrrdAbˆ2 −⋅= π

+⋅

∂

∂+⋅

∂

∂−= ∫∫ 2

00

22 ardrz

dzr

aKQa

pH

pfst

ψψπ

+⋅

∂

∂

+⋅

∂

∂−

=

∫∫21

0

21

0

2

21**

**

**

2Hadrr

zHadz

rH

QK

pp

tfs

ψψπ

+

=2

2

212

HaCH

CQK t

fs

π

(equação 3.1.4)

(equação 3.1.5)

(equação 3.1.7)

(equação 3.1.6)

31

onde:

3.2 FUNDAMENTOS OPERACIONAIS

Para se medir a condutividade hidráulica com o Permeâmetro de Guelph, deve-se

seguir os seguintes passos:

1. Fazer o furo com a profundidade desejada. Mede-se a profundidade atingida. Para isso

usa-se um trado manual. Depois, troca-se a ponta de perfuração do trado por uma de

limpeza, que tem por função nivelar a base do furo e regularizar as paredes do furo.

Foto 3.1 : Trados Manuais

⋅

∂

∂

+⋅

∂

∂−

=

∫∫1

0

21

0

****

***

1

drrzH

adzr

Cpp ψψ

(equação 3.1.8)

32

Foto 3.2: Pontas do trado

2. Monta-se o Permeâmetro de Guelph, ligando o tubo acrílico à garrafa de Mariotte

através de mangueiras plásticas maleáveis. Nesse passo escolhe-se a garrafa de

Mariotte a ser usada de acordo com a profundidade do furo.

Foto 3.3: Garrafa de Mariotte

33

Foto 3.4: Tubo Acrílico

34

Foto 3.5: Mangueiras plásticas

3. Coloca-se o Permeâmetro sobre o furo ajustando as pernas do tripé para que o aparelho

fique nivelado.

35

Foto3.6: Tripé

4. Coloca-se a solução dentro do tubo acrílico. Deve-se deixar que a água encha

completamente as mangueiras. É prudente nesse momento verificar se não há

vazamento nas roscas e ligações.

36

5. Regula-se o tubo de Mariotte, através da régua graduada para estabelecer a altura de

pressão que será mantida no interior do furo.

Foto3.7: Régua Graduada

37

6. Começa-se a fazer as leituras em intervalos constantes de tempo, através da régua

graduada do tubo de acrílico.

7. Quando as diferenças das medidas entre as leituras se tornarem constantes pode-se parar

o ensaio. É necessário que as diferenças se tornem iguais por três ou mais leituras

consecutivas (ver exemplo abaixo)

Tempo

(s)

X (cm) Diferença

0 11 0

15 17 6

30 22 5

45 28 6

60 34 6

75 34 0

90 39 5

105 45 6

120 51 6

135 57 6

150 63 6

38

3.3. EXPERIÊNCIAS REALIZADAS

Neste capítulo serão descritos os locais onde foram realizados os ensaios de

condutividade hidráulica com a utilização do Permeâmetro de Guelph. Aqui estarão

descritas, além das características físicas dos locais, as pressões utilizadas e as

profundidades dos furos.

3.3.1 LEIRAS DE PRÉ TRATAMENTO MECÂNICO BIOLÓGICO

Na Usina de Recilclagem da COMLURB em Jacarepaguá, a empresa alemã Faber

Ambra realizou um projeto piloto sobre o processo de pré-tratamento mecânico e biológico

de duas leiras de resíduos sólidos urbanos. Esta experiência foi acomponhada e monitorada

pelo Prof. Cláudio Mahler e pela então aluna de mestrado Luíza Cantuária (Costa, 2001).

O lixo, depois de ter sofrido um pré-tratamento mecânico, era colocado num pátio a

céu aberto sobre “pallets” de madeira e recoberto com cascas de eucalipto (biofiltro). As

leiras foram construídas com 20 x 40 m e 24 x 40m, com altura inicial em torno de 2,5m,

sendo que a Segunda leira teve trechos com altura de 2,0m, 2,5m 3,0m. Nelas, foram

instalados dispositivos de aeração e irrigação.

Foto 5.1: Vista da leira 2 (Costa, 2001)

No esquema a seguir, demonstra-se suscintamente o processo Faber Ambra.

Figura 5.1: Esquema operacional do sistem

LIXO

RETIRADA DE PORÇÕES MAIORES

TRATAMENTO MECÂNICOTRITURAÇÃO E

HOMOGENEIZAÇÃO DO

TRATAMENTO BIOLÓGICODEGRADAÇÃO EM LOCAL DESCOBERTO

39

a MBA – Faber Ambra Recycling (Costa, 2001)

40

Além das medições de temperatura, recalque, análise dos gases e do chorume, foram

realizados ensaios de permeabilidade utilizando o Permeâmetro de Guelph.

Na leira 1, foram realizados três furos e os ensaios foram feitos com uma pressão de

3cm em três profundidades, 10, 20 e 35cm. Nas duas primeiras profundidades têm-se a

permeabilidade do biofiltro e na terceira já se encontrava o corpo de lixo.

Na leira 2, os três furos foram ralizados em dois momentos. Nos primeiros ensaios a

leira havia sido construída há apenas dois meses e, da mesma forma que na leira 1, usou-se

pressâo de 3cm e profundidades de 10, 20 e 35cm. Quase onze meses depois, outro ensaio

foi feito com três novos furos com profundidades de 20 e 40cm e pressão de 3cm.

Leira 1

Figura 5.2: Localização esquemática dos furos de ensaio da Leira 1

1A e

2A e 4A e

3A e5A e 7A e

8A e6A e

Pontos de

Pontos de Ensaio

20 m

40 m

A

I)C

Leira 2

Figura 5.3: L

3.3.2 ESTAÇÃO AGR

Esta estação fo

Marques, ex-professo

desde a sua criação, ma

textura c

A) Granulometria

A análise gran

Departamento de Geogr

EMBRAPA, 1979)

Pontos de Ensaio

24 mII

6A e

IIIV
5A e
41

ocalização esquemátic

OMETEOROLÓGI

i criada para estudos a

r do Instituto de Meteo

s os últimos 40 cm for

ontrolada nas frações

ulométrica foi realiz

afia da UFRJ, seguin

3A e

4A e

a dos furos de ensaio da Leira 2

CA EXPERIMENTAL

grometeorológicos em 1985 pelo

rologia. A área recebeu diferente

am aterrados com material selecio

cascalho, areia, silte e argila.

ada pelo Laboratório de Pe

do o método da Pipeta (métod

40 m

2A e

1A e

Pontos de

Dr. José

s aterros

nado e de

dologia do

o 1.16.1 –

42

TRINCHEIRA 1

Amostra Profundidade (cm) Cascalho (%) Areia (%) Silte (%) Argila (%)

1 7,0 0,83 71,59 10,90 17,51

2 7,0 0,78 71,25 12,43 16,32

3 20,0 8,27 55,76 27,07 17,17

4 20,0 6,73 46,06 29,70 24,24

5 40,0 14,21 90,75 8,24 1,01

6 40,0 24,44 89,19 8,79 2,02

7 55,0 6,77 56,66 15,80 27,54

Tabela 5.1: Estudo granulométrico da trincheira 1 (Fonte: Departamento de Geografia,

UFRJ)

TRINCHEIRA 2

Amostra Profundidade (cm) Cascalho (%) Areia (%) Silte (%) Argila (%)

8 4,0 1,18 70,33 15,39 14,28

9 6,0 0,72 79,87 10,94 9,19

10 18,0 1,22 48,41 26,40 25,20

11 20,0 1,51 60,85 31,80 7,35

Tabela 5.2: Estudo granulométrico da trincheira 2 (Fonte: Departamento de Geografia,

UFRJ)

43

Percebe-se que este solo é predominantemente arenoso, mas é a sua porcentagem

argilosa que contribuirá para sua reatividade, pois, em geral, é a fração de argila que é a

maior responsável pelas forças de superfície e sua influência no sistema. Além disso,

quanto maior a quantidade de argila no solo, maior é a sua plasticidade, compressibilidade e

coesão verdadeira e menor é sua permeabilidade e o ângulo de atrito interno efetivo

(Mitchell, 1976).

B) Densidade Real, Densidade Aparente e Porosidade

Densidade Real é a relação entre a massa e o volume dos sólidos de um solo, não

levando-se em conta a porosidade. Os resultados foram obtidos no Laboratório de

Pedologia do Departamento de Geografia da UFRJ através do método do Balão

Volumétrico (método 1.12 – EMBRAPA, 1979). A densidade real é uma propriedade

intrínseca do solo, logo tende a ser influenciada pela densidade dos minerais existentes no

solo e pela presença ou não de matéria orgânica (Kiehl, 1979).

Densidade aparente é a relação entre o peso de uma amostra de solo seco e o seu

volume total. Esta densidade é influenciada pela estrutura, grau de compactação e pelas

características de expansão e contração do solo que, por sua vez, são afetadas pelo teor de

umidade. Este ensaio foi realizado pelo Laboratório de Física dos Solos da EMBRAPA –

RJ utilizando o método do Anel Volumétrico (método 1.11.1 – EMBRAPA, 1979).

A porosidade do solo é a relação entre o volume de vazios e o volume total do solo.

Através do método direto, temos:

Onde, N = porosidade

Dr = densidade real

Dap = densidade aparente

( )( )

( )100% ×−

=r

apr

DDD

N (equação 5.1)

44

Pode-se obter a porosidade ou a porcentagem de saturação, através da equação:

Onde, θsat = porcentagem de saturação

Vv = volume de vazios

Vt = volume total

Os resultados obtidos foram os seguintes:

Profundidade (cm) Porosidade (%) Dr (g/cm3) Dap (g/cm3)

5 46,77 2,74 1,45

20 36,94 2,45 1,54

40 32,74 2,84 1,91

Tabela 5.3: Estudo de densidade e porosidade (Fonte: Departamento de Geografia, UFRJ)

C) Microporosidade

Os microporos são responsáveis pela capilaridade.

Entre os fenômenos causados pela tensão superficial, um dos mais

característicos e de maior importância é a ascenção capilar, ou simplesmente

capilaridade. A capilaridade permite que a água suba acima do nível freático.

Através dos conceitos de tensão superficial e de tubos capilares é possível entender

este fenômeno.

A tensão superficial existente na superfície de um líquido é causada pela atração

intermolecular que o líquido exerce sobre as moléculas da superfície deste. (Badillo e

Rodriguez, 1973; Fredlund e Rahardjo, 1993). Nos solos, os seus canalículos funcionam

( ) ( )100% ×=t

Vsat V

Vθ (equação 5.2)

45

como os tubos capilares. Nos solos com grandes vazios (areias, pedregulhos), os

canalículos são de diâmetros maiores, logo a altura capilar é bem pequena, já em

argilas, os canalículos são de pequeno diâmetro e a ascenção capilar é elevada.

A altura capilar do solo dependerá das suas condições iniciais de saturação. Existem

diferenças consideráveis entre um solo úmido que retém a água da chuva e a drena até se

estabilizar e um solo seco que aspira a água do aquífero (Lambe,W. e Whitman, 1969).

Na zona de umidade retida, só estará presente a água adsorvida que é

constituída também da água higroscópica, que é a água retirada da atmosfera úmida.

Em solos finos, essa água existe em maior quantidade.

Na zona de saturação parcial, o solo não estará saturado, mas úmido, porque a

altura de ascenção capilar é geralmente maior que a profundidade dos lençóis

d’água. Nesta zona a água é retida, porém o ar dos vazios pode ou não ser retido.

Na zona de saturação capilar, o solo está saturado, mas a água não participa

do movimento gravitacional, ou seja, não existe água livre.

A água nas zonas capilares está sob uma pressão menor que a atmosférica.

Essa tensão causa um acréscimo de pressões grão a grão no solo, pois os meniscos

tendem a aproximar os grãos. Por isso que as pressões capilares provocam aumento

de resistência aos solos.

À medida que a água de um solo saturado vai evaporando, o raio de curvatura

dos meniscos vai diminuindo e, por isso, a pressão capilar sobre as partículas sólidas

vai aumentando. Essa pressão faz com que o solo se comprima. Com a continuação

da evaporação, o solo irá se comprimir até o momento que não sofrerá mais

deformações.

46

A microporosidade foi determinada segundo o método 1.14 (EMBRAPA, 1979),

enquanto a macroporosidade foi determinada segundo o método 1.15 (EMBRAPA, 1979).

Profundidade (cm) Microporos (%) Macroporos (%) Poros. Total (%)

5 22,75 29,85 52,6

20 45,05 12,40 57,45

40 34,80 14,90 49,70

Tabela 5.4: Estudo de macroporos (Fonte: Departamento de Geografia, UFRJ)

D) Curva característica de retenção de umidade

No Laboratório de Física dos Solos da EMBRAPA – RJ, foram obtidas as curvas

características de retenção de umidade.

Profundidade 5 cm 20 cm 40 cm

Sucção (atm) Umidade

(%)

Umidade

(%)

Umidade

(%)

0 52,6 57,45 49,7

0,06 22,75 45,05 34,8

0,1 13,45 36,75 29,6

0,3 12,9 34,3 27,95

1 12,1 30,55 26,65

Tabela 5.5: Estudo de retenção de umidade (Fonte: Departamento de Geografia, UFRJ)

47

Curvas características

010203040506070

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Sucção (atm)

Um

idad

e (%

)

Profundidade - 5cm Profundidade - 20cmProfundidade - 40cm

Gráfico5.1: Curvas características de retenção de umidade

No dia 11 de abril de 2001, os ensaios utilizando água destilada e a solução

concentrada de Sulfato de Cálcio foram realizados. Nos três primeiros furos primeiro

se ensaiou com a solução salina e alguns minutos depois, a água foi usada como

líquido percolante. Já no quarto furo, primeiro se usou a água e, depois a solução de

CaSO4. A profundidade de do primeiro furo foi de 30 cm, a do segundo foi de 35 cm

e as do terceiro e do quarto, 40 cm. As cargas de pressão foram de 5 e 10 cm.

Uma semana depois, usou-se água natural para se refazer o ensaio com as

mesmas profundidades e pressões anteriormente usadas nos três primeiros furos.

48

Foto 5.2: Estação Agrometeorológica Experimental - UFRJ

3.3.3. ATERRO SANITÁRIO DE SANTO AMARO

O Aterro Sanitário de Santo Amaro, localizado na Zona Sul de São Paulo, foi

utilizado a partir de 1976 e parou de receber resíduos urbanos em 1995, quando o aterro

atingia uma cota superior a 115m. Em seu fechamento, o aterro recebeu uma camada de

material argiloso como camada final que tem espessuras muito variadas devido aos

diferentes momentos de colocação deste solo de cobertura e `a falta de fiscalização.

A cobertura de um aterro sanitário serve para impedir a transferência de

contaminantes para a biosfera e para prevenir a infilitração das águas de preipitações para

dentro da massa de lixo, limitando, assim, o risco de contaminação dos solos e das águas

subterrâneas (Melchior et al., 1993). Abaixo vêem-se as funções e os atributos de uma

cobertura de aterro sanitário.

49

FUNÇÕES ATRIBUTOS

Prevenção ou minimização de percolação

Melhoria estética

Supressão de vetores

Contenção de gases

Supressão do risco de incêndio

Prevenção de carreamento de lixo

Valorização do local do aterro

Resistência à erosão pela água

Resistência à erosão pelo vento

Estabilidade contra recalques,fissuras e

escorregamentos

Resistência a baixas temperaturas

Resistência a perfurações feitas por animais

e plantas

Tabela 5.6: Atributos e funções da cobertura de aterro sanitário (Saarela, 1993).

Depois do fechamento do aterro, passou a funcionar na área contígua um pátio de

transbordo, onde parte do lixo coletado na cidade é repassado para caminhões maiores e é

levado para o Aterro Sanitário Sítio São João.

Desde então, o Engenheiro Agrônomo Julio Cesar da Mata e Andrade, com o apoio

da empresa que monitora o aterro, a ENTERPA Ambiental S. A., desenvolveu um projeto

de mestrado para recuperar e revegetar a área (Andrade, 1999). Neste estudo foram

avaliadas a adaptação e o desenvolvimento de diversas espécies arbóreas e arbustivas.

Para este trabalho, os ensaios de permeabilidade foram desenvolvidos em um talude

do aterro no dia 23 de maio de 2001. Os dois primeiros furos foram feitos em uma área não

revegetada e os dois últimos no meio de uma área onde foram plantadas árvores que foram

objetos do estudo supracitado.

O primeiro furo teve uma profundidade de 30cm e foram aplicadas pressões de 5 e

10cm. No segundo, com profundidade de 60cm, também utilizou-se a mesma carga de

pressão. No terceiro furo só uma carga de 5cm foi aplicada em um furo de 30cm, enquanto

no quarto, com profundidade de 60cm, voltou-se a utilizar as duas cargas.

50

Foto 5.3: Permeâmetro de Guelph em um talude do Aterro Santo Amaro

51

Foto 5.4: Permeâmetro ed Guelph, entre as árvores, em um talude do Aterro Santo

Amaro

52

3.3.4 TABELA DE RESULTADOS EXPERIMENTAIS

LEIRA 1 (MAIO/2000)

Furo Profundidade(cm)

Altura dePressão

(cm)

Intervalode Tempo

(s)

VelocidadeMedida(cm/s)

Vazão(cm3/s)

CondutividadeHidráulica

(cm/s)A1 10 3 30 0,33 18,84 0,0898A2 20 3 15 0,27 15,07 0,0718A3 35 3 15 0,33 18,84 0,0898B1 10 3 15 0,33 18,84 0,0898B2 20 3 15 0,33 18,84 0,0898B3 35 3 15 0,33 18,84 0,0898C1 10 3 15 0,33 18,84 0,0898C2 20 3 15 0,33 18,84 0,0898C3 35 3 15 0,37 20,72 0,0988

LEIRA 2 (MAIO/2000)


Altura dePressão

(cm)

Intervalode Tempo

(s)


Vazão(cm3/s)


(cm/s)A1 10 3 15 0,30 16,96 0,0808A2 20 3 15 0,33 18,84 0,0898A3 35 3 15 0,27 15,07 0,0718B1 10 3 15 0,33 18,84 0,0898B2 20 3 15 0,40 22,61 0,1078B3 35 3 15 0,27 15,07 0,0718C1 10 3 15 0,37 20,72 0,0988C2 20 3 15 0,33 18,84 0,0898C3 35 3 15 0,20 11,30 0,0539

LEIRA 2 (ABRIL/2001)


Altura dePressão

(cm)

Intervalode Tempo

(s)


Vazão(cm3/s)


(cm/s)A1 20 3 15 0,20 11,30 0,0539A2 40 3 15 0,13 7,54 0,0359B1 20 3 15 0,33 18,84 0,0898B2 40 3 15 0,27 15,07 0,0718C1 20 3 15 0,27 15,07 0,0718C2 40 3 15 0,33 18,84 0,0898

53

ESTAÇÃO EXPERIMENTAL

Furo LíquidoPercolant

e

Profundidade(cm)

Altura dePressão

(cm)

Intervalo deTempo (s)


Vazão(cm3/s)


(cm/s)

1 CaSO4 30 5 60 0,005 0,2826 0,000541 CaSO4 30 10 60 0,003 0,1696 0,00012

5 60 0,0058 0,32961 ÁguaDestilada

3010 60 0,01 0,5652

0,000537

5 60 0,0089 0,50231 ÁguaNatural

3010 30 0,0133 0,7534

0,000376

5 60 0,0083 0,47102 CaSO4 3510 60 0,0158 0,8949

0,001126

5 60 0,0033 0,18842 ÁguaDestilada

3510 60 0,0072 0,4082

0,000656

5 60 0,0017 0,09422 ÁguaNatural

3510 30 0,0022 0,1256

0,00000643

5 60 0,005 0,28263 CaSO4 4010 60 0,0083 0,4710

0,000405

5 60 0,0033 0,18843 ÁguaDestilada

4010 60 0,0046 0,2590

0,0000448

5 60 0,0004 0,02353 ÁguaNatural

4010 60 0,0005 0,0314

0,00000164

5 60 0,0008 0,4714 ÁguaDestilada

4010 60 0,0017 0,0942

0,000132

5 60 0,0042 0,23554 CaSO4 4010 60 0,0083 0,4710

0,00066

ATERRO SANITÁRIO


Altura dePressão

(cm)

Intervalode Tempo

(s)


Vazão(cm3/s)


(cm/s)1 30 5 120 0,0033 0,1882 0,0001041 40 10 120 0,0017 0,0938 0,0000336

5 300 0,00033 0,018822 6010 300 0,0007 0,0376

0,0000527

3 30 5 300 0,003 0,1696 0,00009394 60 5 30 0,0267 1,5068 0,0008344 60 10 30 0,025 1,413 0,000506

54

4. ANÁLISE DE RESULTADOS

4.1 LEIRAS DE PRÉ TRATAMENTO MECÂNICO BIOLÓGICO

Os resultados destes ensaios foram surpreendentemente coerentes. Surpreendentes

porque era de se esperar que em alguns casos pudesse se encontrar, ou algum material que

impedisse a passagem de água (um plástico, por exemplo) ou um vazio maior que causasse

o escoamento muito rápido da água. Estes casos extremos não foram verificados e os

resultados se mantiveram dentro da mesma ordem de grandeza.

Além de nenhum destes fatos extremos ocorrerem, percebeu-se a diminuição da

velocidade de percolação com o aumento da compactação causada pela degradação dos

resíduos ali depositados, pois, na Leira 2, as segundas leituras foram realizadas onze meses

depois das primeiras.

FURO A – LEIRA 2

Gráfico 7.1: Comparação entra as duas séries de leituras da Leira 2

0

10

20

30

40

50

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

K (cm/s)

Prof

undi

dade

(cm

)

Leitura 1Leitura 2

55

FURO B – LEIRA 2

Gráfico 7.2: Comparação entra as duas leituras da Leira 2

FURO C – LEIRA 2

Gráfico 7.3: Comparação entra as duas leituras da Leira 2

A primeira profundidade (10 cm) não foi repetida, pois só se atinge a massa de lixo

a partir de 20 cm e o biofiltro não era objeto de análise. Mas é válido comentar que os seis

resultados dos ensaios realizados nesta profundidade se mostraram bastante similares, o que

demonstra coerência nas leituras feitas com o Permeâmetro de Guelph, já que era um

material composto somente por lascas de casca de eucalipto e, portanto, não se poderia

encontrar valores muito discrepantes para a condutividade hidráulica.

0

10

20

30

40

50

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11

K (cm/s)

Prof

undi

dade

(cm

)Leitura 1Leitura 2

0

10

20

30

40

50

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

K (cm/s)

Prof

undi

dade

(cm

)

Leitura 1Leitura 2

56

A tabela abaixo mostra alguns resultados de ensaios de condutividade hidráulica

realizados em resíduos sólidos urbanos.

Pesquisador Peso Específico

(kN/m3)

Permeabilidade (m/s) Metodologia

Utilizada

Fungaroli et al. (1979) 1,1 a 4,0 10-5 a 2x10-4 Lisímetros

Koriates et al. (1983) 8,6 3,15x10-5 a 5,1x10-5 Ensaios de

Laboratório

Oweis e Khera (1986) 6,45 10-5 Estimativa através

de dados de campo

Oweis et al. (1990) 6,45

9,4 a 14

6,3 a 9,4

10-5

1,5x10-4

1,1x10-5

Bombeamento

Ensaios in situ

Ensaios in situ

Landva e Clark (1990) 10,1 a 14,4 x10-5 a 4 x10-4 Ensaios in situ

Gabr e Valero (1995) - 10-7 a 10-5 Ensaios de

Laboratório

Blengino et al. (1996) 9,0 a 11,0 3x10-7 a 3x10-6 Ensaios in situ a

grande

profundidade

Manassero (1990) 8,0 a 10,0 1,5x10-5 a 2,6x10-4 Ensaios de

Bombeamento

Beaven e Powrie (1995) 5,0 a 13,0 10-7 a 10-4 Ensaios de

Laboratório

Brandl (1990) 11,0 a 16,0 3x10-7 a 5x10-6 Ensaios in situ

Brandl (1994) 9,0 a 12,0 10-6 a 5x10-4 Ensaios de

Laboratório

Brandl (1994) 13,0 a 17,0 (RSU

muito

compactado)

3x10-8 a 2x10-6 Ensaios de

Laboratório

Cepollina et al. (1994) ≈10 10-7 Ensaios de

Bombeamento

57

Santos et al. (1998) 14,0 a 19,0 10-7 Ensaios in situ

Carvalho (1999) 8,0 a 15,0 5x10-8 a 8x10-6

Mariano e Jucá (1998) - 1,89 x10-8 a 4,15x10-6

4.2 ESTAÇÃO AGROMETEOROLÓGICA EXPERIMENTAL

Nas experiências realizadas na estação experimental da UFRJ, a influência da

espessura de dupla camada difusa na condutividade hidráulica pode ser verificada e

analisada.

A tabela a seguir resume a influência das mudanças de parâmetros na espessura da

dupla camada e, conseqüentemente, na condutividade hidráulica.

Efeito da Mudança nos Parâmetros

Parâmetros da Solução

Diminuição da Dupla

Camada Difusa, Floculação

das Partículas e Aumento de

K

Aumento da Dupla Camada

Difusa, Dispersão das

Partículas e Diminuição de

K

Concentração Eletrolítica Aumento Diminuição

Valência do Cátion Aumento Diminuição

Constante Dielétrica Diminuição Aumento

Tabela 7.1:Baseado na Teoria da Dupla Camada Difusa (Evans, 1985 e Shackelford, 1994).

Para melhor compreensão cada furo será analisado separadamente.

58

A) Furo 1

Neste furo, como nos dois seguintes, a água destilada foi usada logo depois da

solução concentrada de CaSO4. Pode-se dizer, então, que a água destilada ao encontrar um

ambiente ainda muito salino se comportou como uma solução salina menos concentrada

que a primeira. Isto explica o fato de a água destilada não ter funcionado como esperado,

pois como já se comentou anteriormente, este líquido percolante tende a diminuir muito a

condutividade hidráulica, já que sua concentração eletrolítica é zero.

Pode-se notar, também, que na experiência posterior, quando usou-se somente água

natural, a condutividade hidráulica resultante foi menor do que a condutividade das

soluções salinas. Este resultado é coerente e esperado, pois quanto menor a concentração

eletrolítica, menor é a condutividade hidráulica.

No gráfico a seguir serão comparados os resultados obtidos com a água destilada,

com água natural e com o resultado do CaSO4 com carga de pressão de 5 cm, porque

durante as leituras com sulfato de cálcio e com carga de pressão de 10 cm, deve ter ocorrido

um entupimento da saída de água, o que acarretou um resultado negativo de condutividade

hidráulica.

Gráfico 7.4: Resultados no furo 1

Furo 1

5,425,37

3,76

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5 6K (x10-4cm/s)

Prof

undi

dade

(cm

)

Água destiladaÁguaSulfato de cálcio

59

B) Furo 2

Neste caso, por não ter ocorrido nenhum erro durante o ensaio, pode-se perceber

que o sulfato de cálcio provocou uma condutividade hidráulica maior do que as outras

soluções, já que tem a maior concentração eletrolítica dentre as soluções utilizadas.

A água destilada, como já se comentou, funcionou como uma solução salina um

pouco menos concentrada e a água natural, por possuir a menor concentração eletrolítica,

aumenta a espessura da dupla camada difusa e, conseqüentemente, diminui a condutividade

hidráulica.


C) Furo 3

A mesma análise feita para o Furo 2 pode ser feita para o Furo 3.

Furo 2

4,130,0405 7,09

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8K (x10-4cm/s)

Prof

undi

dade

(cm

)


60


D) Furo 4

Neste furo, primeiro se ensaiou com água destilada e a interação da fração argila do

solo com a água destilada, provocou uma diminuição da condutividade hidráulica, se

comparada com a condutividade obtida com a solução salina concentrada de sulfato de

cálcio. Resultado que, como já se comentou, é esperado e é justificado pela teoria da dupla

camada difusa.

Furo 3

0,282

0,0104

2,55

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8K (x10-4cm/s)

Prof

undi

dade

(cm

)


61


4.3 ATERRO SANITÁRIO SANTO AMARO

Os resultados dos ensaios realizados no Aterro Sanitário indicam que o solo

usado como cobertura para o aterro sanitário, foi um material argiloso e compactado, mas

não completamente homogêneo, já que alguns resultados de condutividade hidráulica

usando duas cargas de pressão, foram negativos. Isto ainda pode ser conseqüência de vazios

encontrados no solo provenientes de uma compactação mal feita. Nos pontos onde havia

vegetação plantada, estes vazios também podem ser criados pelas raízes das árvores.

Um segundo ponto analisado, foi a adaptação do aparelho a um talude com uma

inclinação um pouco mais acentuada. Neste caso o Permeâmetro de Guelph Modificado se

mostrou muito adequado, pois seu tripé, que tem as hastes extensíveis, permite uma perfeita

adaptação ao terreno.

Furo 4

0,83 4,15

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8K (x10-4cm/s)

Prof

undi

dade

(cm

)

Água destiladaSulfato de cálcio

62

5. CONCLUSÕES

Em cada um dos três casos estudados, um problema foi objeto de análise.

No projeto piloto de pré-tratamento de lixo em Jacarepaguá, mediu-se a

condutividade hidráulica de uma leira de resíduos sólidos urbanos, que é

originalmente um material muito heterogêneo, com um aparelho jamais usado com

este propósito. Procurou-se saber se as medidas e os resultados obtidos seriam

coerentes e compatíveis com a permeabilidade esperada.

Como resultado, os dados obtidos foram coerentes e permitem o estudo não só da

permeabilidade de uma massa de lixo, mas também da compressibilidade de uma leira de

resíduos sólidos com o tempo, pois os valores de condutividade hidráulica diminuiram na

segunda leitura, quando o lixo já estava mais degradado e, portanto, mais compactado.

Na estação experimental, queria-se testar o Permeâmetro de Guelph

utilizando não só a água como líquido percolante. Usou-se também uma solução salina

concentrada e os resultados foram comparados tendo como base a teoria da Dupla Camada

Difusa.

Comparando os resultados de condutividade hidráulica das soluções, comprovou-se

na prática a teoria da Dupla Camada Difusa porque quanto mais salina a solução, maior é a

condutividade hidráulica. As soluções mais salinas têm uma concentração eletrolítica maior

que causa a floculação das partículas, a diminuição da espessura da Dupla Camada Difusa e

o aumento da condutividade hidráulica.

No aterro sanitário Santo Amaro, o Permeâmetro foi instalado em um talude, onde

sem a retirada de amostras indeformadas de solo, não se poderia verificar a condutividade

hidráulica.

63

A condutividade foi obtida e pode-se analisar que a velocidade de percolação não é

muito baixa, mas é baixa a ponto de não comprometer até certo ponto as funções de uma

cobertura de aterro.

5.1 SUGESTÕES DE ESTUDOS FUTUROS

Todos os parâmetros e características do lixo e dos aterros sanitários devem

continuar a ser perseguidos e estudados Para isso novos aparelhos e métodos devem ser

desenvolvidos.

Novas experiências com o Permeâmetro de Guelph devem ser feitas em locais e

condições diferentes para que o aparelho, suas características e acurácia sejam cada vez

mais conhecidas.

E, finalmente, mais experiências com soluções distintas da água devem ser

realizadas para o melhor entendimento das interações solo-contaminante e dos mecanismos

de transporte de contaminantes. Assim, as soluções para a descontaminação de solos

poluídos podem ser alcançadas com mais rapidez e eficiência.

64

6. BIBLIOGRAFIA

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