UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

ESCOLA POLITÉCNICA

MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA

ESTUDO DA EFICÁCIA DE ADIÇÕES ORGÂNICAS NA PERFORMANCE DE

BARREIRAS MINERAIS COMPACTADAS PARA CONTENÇÃO DE HIDRO-

CARBONETOS

Raul Andrés Guerrero Avila

Salvador

2016

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ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

ESCOLA POLITÉCNICA

MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA

ESTUDO DA EFICÁCIA DE ADIÇÕES ORGÂNICAS NA PERFORMANCE DE

BARREIRAS MINERAIS COMPACTADAS PARA CONTENÇÃO DE HIDRO-

CARBONETOS

Raul Andrés Guerrero Avila

Dissertação apresentada ao

mestrado em Engenharia Ambiental Urbana

como requisito parcial à obtenção do título

de MESTRE EM ENGENHARIA

AMBIENTAL URBANA

Orientador: Prof. Dr. Sandro Lemos Machado

Agência Financiadora: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível

Superior (CAPES)

Salvador

2016

LOCAL A SER INSERIDA A FICHA CATALOGRÁFICA, APÓS DEFESA E

CORREÇÕES FINAIS

iii

iv

DEDICATÓRIA

A minha mãe amada, Orlandina Avila, por sempre ter me aconselhado e

apoiado em cada etapa da minha vida.

FORMAÇÃO DO CANDIDATO

Engenheiro Civil, formado pela Universidade Católica de Honduras, UNICAH

(2011).

“Eu entendo que um homem possa olhar para baixo, para a terra, e ser um

ateu; mas não posso conceber que ele olhe para os céus e diga que não existe

um Deus.”

Abraham Lincoln

v

vi

MEMBROS DA BANCA EXAMINADORA DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO DE

RAÚL ANDRÉS GUERRERO AVILA

APRESENTADA AO MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA,

DA UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA, EM DIA DE MÊS DE ANO.

BANCA EXAMINADORA

_____________________________________

Prof.(a) Dr.(a) Sandro Lemos Machado

Orientador

MEAU - UFBA

_____________________________________

Co-Orientador(a)

MEAU - UFBA

_____________________________________

Prof.(a) Dr.(a) xxxxxxxxxxxxxxxxx

PPG - INSTITUIÇÃO

_____________________________________

Prof.(a) Dr.(a) xxxxxxxxxxxxxxxxx

PPG - INSTITUIÇÃO

AGRADECIMENTOS

A Deus por sempre ter guardado e abençoado minha vida, além de colocar as

pessoas certas no caminho.

A minha querida mãe, Orlandina Avila, pelo amor, sabidória, esforço, trabalho e

dedicação para brindar o melhor dela para mim e apoiar sempre cada uns das

minhas escolhas.

A meu pai, Raul Alfonso Guerrero Suarez del Real, por ter me ensinado tanto

em tao pouco tempo de vida juntos. Agradeço cada uns dos momentos vividos

e por ser o exemplo de homem que eu gostaria ser.

Ao Dr. Sandro, ilustre orientador, pela sua paciência, dedicação, motivação e

compreensão, sendo um verdadeiro líder como poucos e referência absoluta

na rama da geotecnia.

À Dra. Míriam Carvalho e aos técnicos no laboratório de solos da Universidade

Católica de Salvador pelo grande apoio e aporte para a realização deste

trabalho.

Aos colegas e amigos obtidos no GEOAMB, Adriano, André, Antônio, Atila,

David, Gustavo, Jeová, Mario Sérgio, Nicole, Ramile, Ricardo, Rita, Victor e

Zênite pela convivência, paciência, colaboração e ajuda emprestada sempre

que precisada ao longo do tempo de mestrado.

A todos meus familiares que tem acredito em mim e meus sonhos, com

menção especial em minha avós, Juana Rodriguez e Maria Elena Suarez del

Real, que está no céu.

Às novas amizades feitas desde o meu primeiro dia aqui em Salvador,

brasileiros e estrangeiros, com menção especial de Renê Garcia, irmão na fé e

amigo incondicional em todo tempo.

Aos irmãos na fé da igreja Batista do Garcia como Oscar, Cleunice, Uhana e

Maressa sendo pessoas que refletem o amor do nosso Senhor ao próximo.

vii

viii

RESUMO

A contaminação de solos e lençóis freáticos ocasionado pelo derrama-

mento de fluidos hidrocarbonetos ocorre impulsionada pelas más práticas ope-

racionais e os padrões de segurança ineficientes, somente no ano 2013 se re-

gistraram 472,53 m3 de óleo diesel disponibilizados ao meio ambiente no Brasil,

segundo a IBAMA. Há uma necessidade em atingir as normas ambientais míni-

mas correspondentes à proteção do solo naquelas áreas destinadas à produ-

ção, manipulação, transporte e armazenamento de líquidos hidrocarbonetos.

Obras tais como diques de contenção requerem de medidas e soluções geo-

técnicas voltadas especificamente a obedecer normas como a ABNT-NBR

7505-1:00, que estabelece como coeficiente máximo de permeabilidade um va-

lor de 10-6 cm/s para aqueles solos oriundos para este tipo de obras. Conse-

quentemente, o maior inconveniente e risco ambiental se da quando solos nati-

vos não possuem as características geotécnicas intrínsecas para atingir o valor

mínimo de permeabilidade desejável. Nestes casos, pode ser avaliada a utiliza-

ção de um material orgânico (carvão ativado) como uma solução viável visando

melhorar a performance das características geotécnicas do solo. Neste traba-

lho se apresenta o estudo de solos com matriz argilosa (granulito/gnaisse) e

arenosa (formação barreiras) e a influência resultante da mistura com três tipos

de carvão ativado, sendo utilizados diferentes teores de adição (5%, 10% e

20%), no coeficiente de permeabilidade e os índices físicos do solo por mistura,

utilizando a água pura e o óleo diesel comercial como fluidos percolantes em

ensaios de permeabilidade a carga variável com permeâmetro de parede rígi-

da. Observa-se, uma relação direta entre a diminuição da granulometria do car-

vão ativado (aumento da superfície especifica) e a diminuição do coeficiente de

permeabilidade. Consequentemente, os resultados obtidos apresentam uma

boa adequação com o adicionante orgânico em solos de formação diferente

que em condições típicas de compactação ótima não atingiriam as normativas

ambientais, viabilizando uma alternativa eficaz e menos onerosa em favor do

meio ambiente e a indústria petroleira.

Palavras-chave: carvão ativado; permeabilidade; superfície especifica;

hidrocarbonetos

EFFICIENCY AND PERFORMANCE STUDY OF AN ORGANIC ADDITIVE

WITHIN COMPACTED SOIL LAYERS FOR HYDROCARBON FLUID

CONTAINMENT

ABSTRACT

Soil and aquifer pollution, caused by hydrocarbon liquid spilling, is in-

duced by misguided operational practices and inefficient safety guidelines. Ac-

cording to the Environmental Brazilian Institute (IBAMA), during 2013 alone, ap-

proximately 472.13 m3 of diesel oil leaked into the environment across the coun-

try, corresponding only to reported cases. A necessity is witnessed when com-

plying to the minimal standards appointed by environmental policies regarding

soil and aquifer protection for those areas intended to the production, treatment,

transportation and storage of hydrocarbon fluids. Structures like storage tanks

require fitting geo-technical solutions in order to satisfy policies like ABNT-NBR

7505-1:00, establishing a reference value of 10-6 cm/s as the maximum perme-

ability coefficient admissible for residing soils surrounding these type of struc-

tures. Consequently, great inconvenience and environmental risk comes associ-

ated when natural soils do not own intrinsic geo-technical characteristics suit-

able to obtain the reference value. In these cases, the addition of an organic

material, like activated carbon, can be evaluated as a viable solution to enhance

the soil’s geo-technical performance and characteristics. This study used soils

with clayey (granulito) and sandy (barreiras) formation with the addition of acti-

vated carbon in different concentrations (5%, 10% and 20%), in order to evalu-

ate the resulting influence within the coefficient of permeability and index prop-

erties using distilled water and diesel as infiltrating testing fluids. A direct rela-

tionship between particle-size reduction (surface area increase) and a decrease

in the permeability values was observed. Therefore, the obtained results show a

proper adherence between soil/activated carbon mixtures with different mineral

formation, which in typical compacting conditions do not comply to the required

reference values, granting an efficient and less costly alternative in favor of the

environment and the oil industry.

Key-words: activated carbon; permeability; surface area; hydrocarbon fluids

ix

x

SUMÁRIO

Pág.BANCA EXAMINADORA .................................................................................... vi

AGRADECIMENTOS ......................................................................................... vii

RESUMO ........................................................................................................... viii

ABSTRACT ......................................................................................................... ix

SUMÁRIO ............................................................................................................. x

ÍNDICE DE TABELAS ........................................................................................ xii

ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................ xiii

SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ....................................................................... xiv

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 1

2. REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................ 4

2.1 Solos: Composição e Características ......................................................... 4

2.1.1 Superfície Específica ............................................................................ 6

2.2 Principais grupos argilominerais ................................................................. 9

2.2.1 Grupo da Caulinita ................................................................................ 9

2.2. 2 Grupo da Ilita .......................................................................................... 10

2.2.3 Grupo da Montmorillonita ................................................................... 11

2.3 Cargas superficiais nos Argilominerais ..................................................... 13

2.3.1 Ponto de C arga Zero .......................................................................... 14

2.4 Teoria da Camada Dupla .......................................................................... 14

2.4.1 Modelo de Gouy-Chapman ................................................................ 16

2.4.2 Modelo de Stern ................................................................................. 17

2.5 Comportamento hidráulico dos hidrocarbonetos em solos ...................... 19

2.6 Destilados Leves (LNAPL): Gasolinas ...................................................... 21

2.7 Destilados Médios ..................................................................................... 22

2.8 Óleo de Combustível Pesado ................................................................... 23

2.9 Permeabilidade em Solos ......................................................................... 23

2.10 Permeabilidade Intrínseca de Meios Granulares .................................... 28

2.11 O Carvão Ativado e suas aplicações ...................................................... 36

3. DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL ....................................................... 40

3.1 Escolha dos materiais ............................................................................... 42

3.2 Coleta e preparação dos solos, carvão ativado e fluidos ......................... 43

3.2.1 Fluidos Permeantes ........................................................................... 43

3.2. 2 Carvão Ativado ................................................................................... 44

3.2. 3 Solos: Granulítico e de Barreiras ....................................................... 47

3.3 Caracterização dos Solos Escolhidos ....................................................... 49

3. 4 Caracterização do material orgânico: Carvão Ativado .............................. 54

3 . 5 E nsaios de permeabilidade : Delineamento experimental ........................ 58

3. 5.1 Correção do grau de saturação ao óleo diesel .................................. 64

4. RESULTADOS PRELIMINARES ................................................................... 66

4.1 Ensaio de Compactação ........................................................................... 66

4.2 Ensaios de Permeabilidade ...................................................................... 69

4.3 Índices Físicos das Amostras: Inicias e Finais ......................................... 72

4.3.1 Amostras Ensaiadas com Óleo Diesel ............................................... 73

4.3.2 Amostras Ensaiadas com Água Deionizada ...................................... 76

5. REFERÊNCIAS .............................................................................................. 78

xi

xii

ÍNDICE DE TABELAS

Pág.

Tabela 1. Estimativa dos valores de superfície especifica para alguns

argilominerais........................................................................................................ 7

Tabela 2. Solubilidade dos constituintes BTEX . ................................................. 22

Tabela 3. Adsorção do Carvão Ativado aos Orgânicos......................................38

Tabela 4. Propriedades dos Fluidos a 29 C.......................................................43

Tabela 5. Informação descritiva dos componentes que conformam o moinho de

bolas...................................................................................................................45

Tabela 6. Total de amostras de solo preparadas segundo o tipo de ensaio......49

Tabela 7. Detalhes das normas ABNT utilizadas nos ensaios de caracterização

física....................................................................................................................49

Tabela 8. Resumo das características físicas obtidas para os solos escolhidos

............................................................................................................................50

Tabela 9. Resultados obtidos nos ensaios de caracterização do CA................59

Tabela 10. Resultados dos ensaios de compactação feito para o solo granulítico

............................................................................................................................68

Tabela 11. Resumo dos coef. de permeabilidade obtidos nas amostras

ensaiadas............................................................................................................71

Tabela 12. Resumo das porcentagens de umidade higroscópica e STV das

amostras.................................................................................................................

Tabela 13. Resumo dos teores de umidade antes e após do ensaio com óleo

diesel.......................................................................................................................

Tabela 14. Resumo dos valores para cada índice físico obtido nas amostras......

Tabela 15. Resumo dos teores de umidade antes e após do ensaio de

permeabilidade

Tabela 16. Resumo dos valores para cada índice físico obtido nas amostras......

ÍNDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Escala granulométrica e curva de distribuição das partículas sólidas

segundo a ABNT ................................................................................................... 5

Figura 2. Relação entre os limites de consistência e a superfície especifica do

solo..........................................................................................................................

Figura 3. Ilustração estrutura atômica da caulinita.................................................

Figura 4. Ilustração da estrutura atômica da ilita....................................................

Figura 5. Ilustração da estrutura atômica da montmorillonita ...............................

Figura 6. Ilustração do tamanho e estrutura de cada partícula dos grupos

argilominerais..........................................................................................................

Figura 7. Descrição ilustrativa da carga desenvolvida na superfície dependente

do valor do PH e o Ponto Carga Zero....................................................................

Figura 8. Ilustração da Camada dupla iônica.........................................................

Figura 9. Variabilidade da espessura na camada dupla........................................

Figura 10. Ilustração da distribuição dos cations próximos nas superfícies

argilominerais segundo o modelo...........................................................................

Figura 11. Faixas de variação do coeficiente de permeabilidade segundo a

granulometria do solo.............................................................................................

Figura 12. O gradiente hidráulico em relação ao WP e IP......................................

Figura 13. Coeficiente de permeabilidade em relação ao teor de compactação

inicial.......................................................................................................................

Figura 14. Curvas de Permeabilidade em função do teor de massa de bentonita

Figura 15. Valores de condutividade hidráulica saturada em relação à gasolina

comercial.................................................................................................................

Figura 16. Valores de condutividade hidráulica saturada em relação ao óleo

diesel comercial......................................................................................................

Figura 17. Valores de condutividade hidráulica saturada em relação ao óleo

diesel comercial......................................................................................................

xiii

xiv

Figura 18. Esquema do procedimento e avaliação experimental para cada CP...

Figura 19. Lugar de coleta das amostras de solo..................................................

Figura 20. Aparelho de osmose inversa utilizado para deionizar a água potável..

Figura 21. Modelo de moinho de bolas utilizado para reduzir a granulometria do

CAG .......................................................................................................................

Figura 22. Processo de moagem do CAG .............................................................

Figura 23. Procedimento de secagem do solo coletado em campo......................

Figura 24. Procedimento de preparação do solo no laboratório............................

Figura 25. Curva característica da análise granulométrica do solo granulito........

Figura 26. Curva característica da análise granulométrica do solo barreiras........

Figura 27. Recta de fluxo obtida durante o ensaio de obtenção do WL para o

solo granulítico........................................................................................................

Figura 28. Recta de fluxo obtida durante o ensaio de obtenção do WL para o

solo barreiras..........................................................................................................

Figura 29. Carta de plasticidade de Casagrande para o solo granulito.................

Figura 30. Carta de plasticidade de Casagrande para o solo barreiras.................

Figura 31. Pesagem do CA após do ensaio de peneiramento...............................

Figura 32. Aparelho utilizado para determinar a superfície especifica do CA.......

Figura 33. Aparelho utilizado para determinar a densidade do CAG e CAM.........

Figura 34. Curva característica da análise granulométrica do CAP......................

Figura 35. Curva característica da análise granulométrica do CAG antes do

processo de moagem.............................................................................................

Figura 36. Curva característica da análise granulométrica do CAG após do

processo de moagem.............................................................................................

Figura 37. Esquema descritivo das amostras preparadas para os ensaios de

permeabilidade.......................................................................................................

Figura 38. Cilindros de PVC ranhurados utilizados como permeâmetro de

parede rígida...........................................................................................................

Figura 39. Estrutura de permeâmetro com o CP prévio ao processo de

saturação................................................................................................................

Figura 40. Montagem de CP dentro do permeâmetro............................................

Figura 41. Colocação do o-ring dentro da tampa do permeâmetro.......................

Figura 42. Procedimento de colocação do filtro de uniformidade do fluxo............

Figura 43. Processo de execução do ensaio de permeabilidade..........................

Figura 44. Passos seguidos após da finalização do ensaio de permeabilidade....

Figura 45. Amostragem do CP utilizada na medição do grau de saturação..........

Figura 46. Curvas de compactação obtidas nos ensaios de solo granulítico puro

Figura 47. Curvas de compactação obtidas nos ensaios para amostras de solo

regolito/CAG............................................................................................................

Figura 48. Curvas de Compactação obtidas nos ensaios das amostras de solo

regolito/CAP............................................................................................................

Figura 49. Gráfico ilustrativo da influência do teor de CAG no coeficiente de

permeabilidade referente à água............................................................................

Figura 50. Gráfico ilustrativo da influência do teor de CAP no coeficiente de

permeabilidade referente à água............................................................................

Figura 51. Gráfico ilustrativo da influência do teor de CAG no coeficiente de

permeabilidade referente ao óleo diesel................................................................

Figura 52. Gráfico ilustrativo da influência do teor de CAP no coeficiente de

permeabilidade referente ao óleo diesel...............................................................

xv

xvi

SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

Todos os símbolos, siglas e abreviaturas utilizados ao longo do texto devem ser

listados aqui, e, ordem alfabética. Seguem alguns exemplos:

ABRELPE Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e

Resíduos EspeciaisACI American Concrete InstituteASTM American Society for Testing and Materials StandardsBET Brunauer, Emmett e Teller - Ensaio para determinação de área

superficial específicaCEB Comitê Euro-international du BétonCEMBUREAU European Cement AssociationCONAMA Conselho Nacional do Meio AmbienteW Watts% Porcentagem°C Grau Celsius Densidade do material

1. INTRODUÇÃO

A contaminação dos solos e lençóis freáticos, devido ao derramamento

de líquidos hidrocarbonetos, ocorre impulsionada pelas más práticas operacio-

nais e pelos padrões de segurança ineficientes. Somente no ano 2013 foi regis-

trada pela IBAMA o vazamento de 472,53 m3 de óleo diesel no Brasil. As con-

sequências decorrentes deste tipo de acidentes, são alvo de muitos estudos

devido à frequência com que estes eventos acontecem, convertendo-se em

uma fonte permanente de contaminação ambiental.

Na atualidade, o mercado financeiro mundial é regido pela indústria pe-

troleira; as atividades relacionadas com esta indústria vão desde a extração, o

transporte, processamento e a armazenagem do petróleo para a sua utilização

final. O manejo apropriado deste produto e os seus derivados, reduz a probabi-

lidade de propagações no meio ambiente, evitando riscos à saúde humana.

Portanto, qualquer tipo de infraestrutura destinada à retenção de hidrocarbone-

tos, deve estar devidamente adequada, minimizando ao máximo o risco de

contaminação, evitando os acidentes nocivos ao meio ambiente e à saúde pú-

blica.

Precisa-se, técnicas de remediação ambientais em contra de vazamen-

tos dos hidrocarbonetos, além de planos de contingência e mitigação para re-

cuperar zonas atingidas no menor tempo possível. Em tal caso, as característi-

cas físico-químicas do fluido e as propriedades geotécnicas do solo serão os

principais componentes que influenciaram a interação entre o fluido poluente e

o meio ambiente.

Destacam-se, como características físico-químicas a volatilidade, solubi-

lidade e o coeficiente de partição octanol/água referente ao fluido e a textura,

mineralogia e conteúdo de matéria orgânica presente no solo receptor. Além

disso, quando os hidrocarbonetos são disponibilizados no meio ambiente, for-

mam-se várias fases de contaminação, podendo estas serem livre (fase hidro-

carboneto), adsorvida (aderida às partículas sólidas), dissolvida na água, vapo-

rizada (dissolvida no ar) ou condensada (Forte, 2007).

Os solos apresentam uma capacidade limitada na adsorção/retenção de

líquidos poluentes, exigindo a adoção de medidas preventivas como camadas

1

2

protetoras ou barreiras minerais com materiais capazes de atingir as especifi -

cações mínimas. Esta prática se emprega frequentemente, através da remoção

do solo oriundo, substituindo por camadas compactadas de solo como os argi-

lominerais que possuem características geotécnicas propicias ou apropriadas.

Os estudos geotécnicos, ajudam ter um maior conhecimento sobre os

comportamentos, interações e fenômenos que ocorrem entre o meio ambiente

e os fluidos poluentes, o que facilita a criação de barreiras minerais mais efeti -

vas e econômicas, evitando a contaminação da subsuperfície no caso da ocor-

rência de vazamentos. A subsuperfície deve ser resguardada para evitar que

os movimentos dinâmicos do ciclo hidrológico transportem sustâncias perigo-

sas nas águas subterrâneas e aquíferos adjacentes (Huling e Weaver, 1991).

O presente estudo se fundamenta na necessidade de atingir as normas

ambientais mínimas para as estruturas de contenção de líquidos combustíveis

ou hidrocarbonetos. Segundo a norma ABNT-NBR 7505-1:2000, o solo oriundo

deve possuir um coeficiente máximo de permeabilidade de 10-6 cm/s (referenci-

ado à água 20 ºC). Além disso, a principal justificativa, deu-se pelas dificulda-

des identificadas naquelas regiões que não possuem solos com características

geotécnicas propicias, incrementando o risco ambiental e os custos de preven-

ção, remediação e mitigação.

Dois tipos de solos são objeto deste estudo, o primeiro com presença ar-

gilosa (granulito/gnaisse) e o restante com presença arenosa (formação barrei-

ras). Além disso, visando a obtenção de valores de permeabilidade desejáveis,

um material orgânico (carvão ativado) foi adicionado solos escolhidos para ava-

liar a performance desta mistura.

O aditivo orgânico utilizado provém de origem vegetal, estando classifi-

cado como carvão ativado granular (madeira) e carvão ativado pulverizado (fi-

bra de coco). Além disso, cada amostra foi preparada com quantidades prees-

tabelecidas de 10% e 20% do produto orgânico adicionado, analisando a in-

fluência da proporção solo/carvão mais conveniente segundo a performance e

praticabilidade.

Ensaios de permeabilidade foram realizados para determinar os valores

de permeabilidade em cada amostra saturada percolada com dois fluidos de in-

teresse: a água e o óleo diesel. Posteriormente, a análise dos índices físicos de

cada amostra ou corpo-de-prova foi feita, comparando-os antes e depois da

execução de cada ensaio. As variações nas características (granulometria, su-

perfície especifica, origem) do material orgânico e a sua influência na retenção

ou não do óleo diesel são alvo deste estudo.

O presente trabalho está conformado por 7 seções principais: introdu-

ção, revisão da literatura, metodologia, resultados e discussões, conclusões,

sugestões para futuros trabalhos e as referências. Apresenta-se, na revisão da

literatura no capítulo 2, uma resenha sintetizada sobre a estrutura e caracte-

rísticas dos solos argilosos e arenosos, classificação e comportamento dos hi-

drocarbonetos na subsuperfície, a permeabilidade e os seus fatores, interação

entre fluido/solo e a utilização do carvão ativado como material de remediação

ambiental e as suas propriedades.

No capítulo 3 se apresenta a metodologia feita ao longo da pesquisa,

sendo descritos os materiais e os métodos utilizados para atingir os objetivos

específicos com enfase na determinação de valores de permeabilidade ideais

com a adição do material orgânico através dos ensaios de permeabilidade em

laboratório a serem reproduzidos em campo. Seguidamente, no capitulo 4 são

apresentados os resultados obtidos para cada ensaiado de forma resumida,

além das análises e interpretação destes dados. Por ultimo, as conclusões des-

ta pesquisa apresentam-se no capitulo 5 e as sugestões de novos trabalhos no

capitulo 6.

3

4

2. REVISÃO DE LITERATURA

2.1 Solos: Composição e Características

O solo, para efeitos da engenharia, pode-se definir como aquele agrega-

do solto formado por grãos minerais e a matéria orgânica degradada conjunta-

mente com a água e o ar que ocupam os espaços intersticiais e que pode ser

escavado sem o uso de explosivos (Das, 2010). A formação dos solos é resul-

tado do intemperismo das rochas através dos fenômenos de decomposição

química ou desintegração mecânica. Quanto à natureza das partículas dos so-

los, as frações grossas são predominantemente de grãos silicosos, enquanto

os minerais dos silicatos de alumínio, que ocorrem nas frações argilosas per-

tencem aos três grupos principais: caulinita, montemorilonita e ilita (Caputo,

1988).

Os primeiros estudos realizados no solo foram praticados nas areias, co-

meçando nos inícios do século XVIII. No ano 1717 o engenheiro Francês, Henri

Gautier (1660-1737), estudou as inclinações naturais dos solos quando trope-

çou acidentalmente numa pilha tentando formular o procedimento de desenho

para muros de contenção. Os resultados obtidos foram que a areia apresenta,

quando seca, uma inclinação natural de 31o e uma massa unitária aproximada-

mente de 18.1 kN/m3, estando este material sem impurezas. No entanto, os pri-

meiros resultados de modelos de laboratório foram produzidos em 1746 por

François Gadroy.

No que tange as propriedades hidráulicas do solo, uns dos pesquisado-

res mais influentes e importantes na mecânica de solos foi Henri P.G. Darcy

(1803-1858), que no ano 1856 publicou um estudo baseado na permeabilidade

de filtros de areia. Este estudo deu origem ao termo conhecido como coeficien-

te de permeabilidade (k) ou condutividade hidráulica para o solo, um parâmetro

de grande importância nos estudos geotécnicos até hoje.

Durante o início do século XX, o cientista sueco Albert M. Atterberg

(1846-1916), definiu a fração argilosa como a porcentagem por massa das par-

tículas com tamanho menor que 2 microns (µm). Além disso, explicou-se a con-

sistência dos solos coesivos através da definição dos limites de liquidez, plasti-

cidade e contração (limites de Atteberg ou consistência); sendo o índice de

plasticidade (IP) definido como a diferença entre o limite de liquidez (WL) e o li-

mite de plasticidade (WP) (Atteberg, 1911).

Atualmente, pode-se classificar o solo em duas categorias principais, se-

gundo o seu tamanho e forma das partículas sólidas: grossos e finos. Dentro

dos solos grossos encontram-se as areias, pedregulho, pedra de mão e mata-

cão, submetidos às forças gravitacionais devido a sua grande massa (baixa su-

perfície especifica). Enquanto que dentro dos solos finos se encontram as argi-

las e siltes, sendo o tipo de mineral de formação que determinara a forma de

cada partícula. Além disso, o comportamento destes solos são definidos pelas

forças moleculares ou elétricas sob a presença de um fluido que influi de forma

significativa nestas interações electroquímicas.

A figura 1 ilustra a escala granulométrica segundo a classificação da

ABNT e o exemplo da curva de distribuição das partículas sólidas. Uma abor-

dagem mais detalhada será apresentada na seção correspondente sobre a in-

fluência das forças antes mencionadas e os fenômenos associados com elas.

Figura 1. Escala granulométrica e curva de distribuição das partículas sólidas segundo

a ABNT (Pinto, 2006).

Os minerais de solos argilosos são muito reativos devido a sua ampla

área superficial e pela própria carga elétrica intrínseca. O solo argiloso é uma

mistura porosa composta de ar, água, matéria orgânica e minerais inorgânicos.

Aproximadamente 40% do volume do solo é espaço vazio, sendo ocupado por

ar e água, enquanto que os 60% restantes são compostos pelos sólidos como

5

6

a matéria orgânica e os minerais inorgânicos. O meio poroso dos solos argilo-

sos é grandemente influenciado pela composição estrutural dos sólidos, sendo

de maior predominância a sua composição mineral. Além disto, a distribuição

dos poros e o tamanho destes influencia na permeabilidade dos solos argilosos

(Brown & Anderson, 1983).

Os componentes sólidos que dominam o comportamento hidráulico dos

solos argilosos são a matéria orgânica, os minerais argilosos e os cátions ab-

sorvidos pelos minerais. Geralmente, a matéria orgânica fornece uma estrutura

mais porosa para o solo argiloso, o que dá como resultado poros maiores. Por

outro lado, a baixa permeabilidade está associada, grandemente, às caracte-

rísticas dos argilominerais e dos cátions associados para cada tipo de solo.

Sabe-se que as argilas constituem a fração mais fina da classificação de

solos, comumente com partículas de diâmetro inferior a 2 μm. Pela sua intera-

ção com a água as argilas desenvolvem uma plasticidade quando misturadas

com uma quantidade específica de água (Grim, 1953). Quando os solos con-

têm uma quantidade significativa de argilominerais, os fenômenos e as intera-

ções eletroquímicos são significativos entre as partículas e as moléculas dos

fluidos (Soga, 2003).

2.1.1 Superfície Específica e limites de consistência

A superfície específica é definida como a área superficial por massa uni-

tária, que no caso dos argilominerais, são relativamente grandes devido a sua

textura e a sua formação intracristalina, a qual disponibiliza superfícies internas

e externas de contato em alguns casos. Geralmente, a área externa é medida

mediante a absorção de nitrogênio, empregando-se a equação de B.E.T.. A

área superficial total é comumente determinada medindo a absorção de alguma

molécula com polaridade, como a água ou o etilenoglicol, e, consequentemente

área superficial interna é obtida da diferença entras as duas primeiras áreas

medidas (Quirk, 1955). Observa-se, na tabela 1 os valores de superfície espe-

cífica dos grupos de argilominerais mais comuns.

Tabela 1 – Estimativa dos valores de superfície especifica para alguns argilominerais.

ArgilomineralSuperfície Específica (m2/g)

Interna Externa Total

Esmectita (2:1) 750 50 800

Vermiculita (2:1) 750 <1 750

Clorito (1:1) 0 15 15

Caulinita (1:1) 0 15 15

Ilita (2:1) 5 25 30

Fonte: van Olphen e Fripiat, 1979.

Como observado na tabela 1, a superfície específica varia de forma con-

siderável entre cada argilomineral, estabelecendo uma relação inversamente

proporcional na qual a superfície especifica incrementa enquanto o tamanho

das partículas sólidas diminui. Além disso, a superfície específica está direta-

mente relacionada com a influência das forças que interagem nas partículas

sólidas, de forma que quanto menor seja a superfície especifica, menor será a

influência das forças elétricas, portanto, favorecendo às forças gravitacionais.

Os limites de consistência também são parâmetros ligados diretamente

à mineralogia e a quantidade de argila do solo. Estes limites refletem a intera-

ção entre as partículas sólidas e a água, normalmente pela mudança de seu

estado de consistência. O índice de plasticidade, WP, aumenta com o aumento

da superfície especifica do argilomineral, embora não de forma proporcional.

Por exemplo, a superfície específica da montmorillonita é 40 vezes maior que a

caulinita, porém o WP é 2-3 vezes maior.

Vários estudos apresentam a utilização dos limites de consistência para

prever a superfície especifica mediante o uso de equações empíricas , embora

esta previsão seja só seja válida para solos com características físico-químicas

semelhantes (Hammel et al., 1983). Locat et al. (1984) apresentam uma mode-

lagem entre a superfície específica e os limites de consistência para solos argi-

losos com diferentes teores de umidade da região de Quebec, Canadá, defini-

da pela equação 1 e ilustrada na figura 2.

WL=0.80⋅SE+12 (1)

Onde WL é o limite de liquidez e SA é a superfície especifica.

7

8

Figura 2. Relação entre os limites de consistência e a superfície especifica do solo

(Locat et al.,1984)

Na figura 2, observa-se claramente uma relação linear entre o aumento

no WL e a superfície específica. Além disso, tem sido observado uma forte

influência entre o tipo de argilomineral e os valores dos limites de consistência,

sendo que há um incremento da SA segundo a diminuição da textura do

mineral (caulinita < ilita < atapulgita < montmorillonita) (Lambe, 1969). Desta

forma, afirma-se que uma diminuição no tamanho da partícula sólida ou um

incremento na superfície especifica irá resultar no aumento nos valores de WL

e WP (White, 1949).

2.2 Principais grupos argilominerais

2.2.1 Grupo da Caulinita

Na rama da geotecnia existem 3 grupos principais de argilominerais

classificados segundo a sua composição mineralógica: caulinita, ilita e

montmorillonita. O primeiro, a caulinita, tem a sua estrutura cristalográfica

formada por uma sucessão de camadas ou lâminas de tetraedros de silício e

octaedros de alumínio (silica-gibbita) (Figura 3).

Figura 3. Ilustração estrutura atômica da caulinita. (Adaptado: Grim, 1962)

Os minerais que compõem este grupo são a caulinita, haloisita, dickita e

nacrita, todos conformados pela camada estrutural tipo 1:1. Estas camadas,

encontram-se firmemente empacotadas, com ligações de hidrogênio que impe-

dem sua separação e a penetração de moléculas de água no interior delas.

Cada camada possui uma espessura de 7,2 Å e como apresentado na tabela 1

a superfície específica destas partículas sólidas ficam dentro de uma faixa de

10 – 15 m2/g. Além disso, a densidade relativa dos grãos (Gs), definida como a

razão entre as massas ou pesos específicos da parte sólida e o volume de

água a 4 oC, da caulinita é de 2,6 (adimensional).

9

10

A caulinita apresenta valores típicos de WL entre 35 e100%, WP entre

20 e 40%, e o índice de plasticidade, IP, entre 15 e 60. Segundo Burmister

(1949), que classificou o IP de forma qualitativa, a caulinita se considera entre

um solo de plasticidade média (valor mínimo do IP: 15) até de muita alta plasti-

cidade (valor máximo do IP: 60).

Outra característica importante dos argilominerais é a carga negativa

que eles possuem nas superfícies das partículas sólidas, gerada pela substitui-

ção isomórfica e pela interrupção na continuidade estrutural localizadas nas

bordas da partícula, embora exista a possibilidade que algumas partículas sóli-

das tenham cargas positivas.

As caulinitas são eletricamente neutras, não apresentando substituições

isomorfas. A sua capacidade de troca de cations (CTC) é baixa (3–15

mE/100g), de tal forma que qualquer ocorrência de carga deverá ser originada

pelo rompimento nas arestas do cristal, ou pela dissociação do H+ ligado aos

cátions estruturais (Grim, 1968).

2.2.2 Grupo da Ilita

A ilita ou mica fina está conformada por uma lâmina de alumínio ligada a

duas lâminas de silício, uma acima da outra, interligadas por íons de potássio

(estrutura tipo 2:1). O equilíbrio das cargas negativas, dadas pelos íons de

potássio, é obtido através da troca de alumínio pelo silício nas camadas

tetraédricas sem alterar a estrutura cristalográfica, fenômeno conhecido como

substituição isomórfica. A moscovita e a biotita são alguns dos minerais do

grupo das ilitas com uma capacidade de carga catiônica, CTC, entre 10 – 50

mE/100g. A CTC é um índice bastante utilizado em áreas como a agronomia e

as ciências da terra com uma função similar à dos índices de consistência.

Geralmente, as partículas sólidas da ilita possuem medidas laterais entre

1.000 – 5.000 Å e espessuras entre 50 – 500 Å, com uma densidade relativa,

Gs, de 2,80. Valores típocos dos limites de consistência apresentados pela ilita

são os seguintes: WL entre 60 e 120, WP entre 35 e 60 e o IP entre 25 e 60,

que segundo a classificação qualitativa de Burmister (1949), consideram-se

solos de alta e muita alta plasticidade.

Figura 4. Ilustração da estrutura atômica da ilita (Adaptado: Das, 2010).

2.2.3 Grupo da Montmorillonita

A montmorillonita ou esmectita possui uma estrutura semelhante à ilita,

(estrutura 2:1), diferenciando que a substituição isomórfica que ocorre é do

magnésio e o ferro pelo alumínio nas camadas octaédricas (figura 5). Ressalta-

se, a ausência de íons de potássio, possibilitando atrair uma quantidade

significativa de água nos poros localizados entre cada camada. São minerais

deste grupo a esmectita, beidelita, nontronita, hectorita, saponita, vermiculita e

a bentonita.

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Figura 5. Ilustração da estrutura atômica da montmorillonita (Adaptado: Das, 2010).

As dimensões laterais da montmorillonita ficam entre uma faixa de 1000

– 5000 Å e uma espessura entre 10 – 50 Å, além de ter uma superfície

especifica de até 800 m2/g. O Gs está entre a faixa de 2,65 – 2,80. O WL varia

entre 100 – 900, o WP entre 50 – 100 e o IP entre 50 – 800, segundo Burmister

(1949) este solo seria considerado de muita alta plasticidade. Na figura 6 se

apresenta uma ilustração gráfica a escala sobre o tamanho de cada partícula

segundo os grupos expostos acima e as sua conformação estrutural.

Figura 6. Ilustração do tamanho e estrutura de cada partícula dos grupos

argilominerais (Adaptado: Das, 2010).

2.3 Cargas superficiais nos Argilominerais

As camadas que conformam a estrutura dos argilominerais, normalmen-

te, contém uma carga superficial, decorrente de diversos fenômenos como a

substituição isomórfica que ocorre durante o processo de intemperismo quími-

co, seja esta negativa ou positiva. Duas fontes principais dão origem à carga

negativa: (1) substituição isomórfica na formação dos minerais, referida tam-

bém como carga permanente; e (2) a carga variável, causada pela dissociação

da hidroxila na superfície da argila, que é dependente do pH do meio (Evange-

lou, 1998).

Além disso, a carga permanente produzida comumente pela troca de

íons, também pode ser originada pelas imperfeições estruturais. A carga de ad-

sorção se origina nas superfícies das partículas argilosas e pode ser gerada

pelas reações químicas que ocorrem nesta região e pela absorção de íons sur-

factantes (Stumm e Morgan, 1981).

A carga líquida causada pela reação entre as superfícies pode ser tanto

negativa como positiva, dependendo da estrutura dos silicatos, pH e a salinida-

de da solução. No caso que o valor do pH seja baixo, observa-se uma disposi-

ção para a troca de ânions; no caso de um valor do pH alto, observa-se uma

disposição para a troca de cátions, como ilustrado na figura 7 (Stumm e Mor-

gan, 1981).

Figura 7. Descrição ilustrativa da carga desenvolvida na superfície dependente do va-lor do PH e o Ponto Carga Zero (Adaptado: Greenland e Mott, 1978; Stumm e Morgan,1981).

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A influência do pH na carga elétrica superficial em argilas de estrutura

2:1 como a esmectita se atribui em menos do 1%. Porém, em argilominerais

como a caulinita, onde a quantidade de substituição isomorfa é nula, a influên-

cia do pH na carga elétrica superficial é predominante. As partículas da fração

textural argila do solo normalmente possuem uma carga eletronegativa, o que

dá origem a reações de permuta catiônica.

2.3.1 Ponto de Carga Zero

O pH no qual a carga total é nula ou zero se denomina ponto de carga

zero (PCZ) ou, como às vezes também é conhecido, ponto isoelétrico (IEP),

(Gast, 1977). A importância do PCZ baseia-se em que este determinará o valor

do pH influenciando o tipo de troca entre os minerais, sejam cátions ou ânions.

Além disto, devido à carga limitada que existe em cada superfície, salvo que o

pH esteja dentro do PCZ, os minerais que contenham superfícies de carga

oposta serão atraídos um com outro, e os minerais que contenham superfícies

com a mesma carga elétrica se repelirão entre eles, seguindo os princípios

básicos do electromagnetismo. Além disto, o PCZ influencia na quantidade de

água que se deposita nas camadas intrínsecas das argilas e a faixa do pH em

que as suspensões coloidais se formam.

2.4 Teoria da Camada Dupla

A teoria da camada dupla foi desenvolvida inicialmente para coloides e

busca explicar as interações entre as superfícies dos argilominerais, os cátions

nas camadas integradas e a solução que rodeia as partículas do solo. Baseia-

se, no modelo de Gouy-Chapman, refinado pelo modelo de Stern.

Em solos finos, a presença da dupla camada difusa promove o surgi-

mento de diversos fenômenos eletrocinéticos no solo como consequência da

aplicação do campo elétrico gerado pelo desbalanceamento das cargas elétri-

cas superficiais (Mergulhão, 2002). A camada dupla corresponde à aquela regi-

ão onde os íons positivos da solução e a superfície de solo com carga negativa

interagem. Além disto, descreve-se como a camada em torno das partículas na

qual as moléculas da água são atraídas a íons de solo, e ambos à superfície

das partículas. As características desta dependem da valência dos íons presen-

tes na água, da concentração eletrolítica, da temperatura e da constante die-

létrica do meio (Sousa, 2012).

As moléculas de líquido adsorvido às partículas sólidas não participam

do processo de fluxo, de forma que, a depender da dimensão do micróporo,

este pode ser obstruído por duas camadas duplas adjacentes, impedindo a

passagem do fluido. A substituição de um fluido intersticial por outro, que con-

duzisse a uma menor espessura da camada dupla, tenderia aumentar a perme-

abilidade do solo ao fluido em questão, pois parte do micróporo estaria disponí-

vel para a ocorrência de fluxo.

O comportamento e as propriedades da camada dupla dependem, signi-

ficativamente, do tipo de mineral e da composição química da solução. Segun-

do Ruhl e Daniel (1997) são as seguintes: as características dos líquidos perco-

lantes que tendem a contrair a camada dupla, levando a um aumento da per-

meabilidade: a baixa constante dielétrica (ε), a elevada concentração eletrolíti-

ca (água salobra ou hipersalinas) e a predominância de cátions multivalentes

(Ca2+ e Mg2+).

Segundo Santos (1975), a presença de íons dissolvidos no líquido em

que a argila está dispersa afeta as partículas de argilominerais de três

maneiras diferentes, que podem ocorrer simultaneamente: a) influenciá na

camada d’água adsorvida (espessura e orientação), b) concede carga negativa

à partícula argilosa, c) provoca a clivagem ou separação das partículas em

partículas menores, geralmente separando-as paralelamente ao plano basal e

formando lâminas mais finas. Observa-se, na figura 8 uma exemplificação da

camada dupla e a sua interação iônica. A vista esquerda ilustra a mudança da

densidade na carga ao redor da partícula. Enquanto que a vista direita ilustra a

distribuição de íons positivos e negativos ao redor da partícula com carga.

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Figura 8. Ilustração da Camada dupla iônica (Adaptado de Zeta Meter Inc., 1977).

2.4.1 Modelo de Gouy-Chapman

As superfícies argilosas contém cargas superficiais predominantemente

negativas, e, quando estas são colocadas em uma solução, os cátions da solu-

ção são atraídos pela superfície argilosa de forma a se obter um balanceamen-

to nas cargas. Consequentemente, a concentração dos cátions será maior na

superfície das partículas da argila que na solução. Por outro lado, devido às di-

ferenças de concentração catiônica, estes tenderão a se propagar da superfície

argilosa para a solução, por gradientes na sucção osmótica. Desta forma pode-

se dizer que as forças de difusão ou osmóticas tendem a deslocar os íons na

direção oposta do campo magnético gerado pelas cargas de superfície (Eslin-

ger e Pevear, 1988).

O resultado eletrostático líquido desta atração e da propagação dos cá-

tions é um ponto de equilíbrio no qual a região ao redor das partículas de solo

contém uma camada de espessura específica. No caso de ter uma diminuição

na concentração de cátions e que estes se encontram dispersos e desprendi-

dos das superfícies das partículas, o ponto de equilíbrio será obtido através da

interação entre estes com a solução.

Existem somente duas camadas com cargas elétricas apresentadas nes-

te modelo: a carga negativa da superfície da partícula argilosa e a carga positi -

va dos cátions na camada difusa (propagação) formando assim a camada du-

pla. A espessura da camada de Gouy dependerá da carga elétrica na superfície

das partículas argilominerais e da salinidade (força iônica) da água.

2.4.2 Modelo de Stern

O modelo de Stern é uma variação do modelo de Gouy-Chapman, que

considera o fato que os cations têm um tamanho finito e que alguns íons po-

dem ser seletivamente atraídos para as superfícies dos argilominerais. Neste

modelo, próximo à superfície negativa da partícula argilosa existe uma camada

de cátions fixos absorvidos seletivamente para a partícula do solo. Esses cá-

tions são fixos e não fazem parte da camada de cations móveis (camada difu-

sa). A carga negativa da superfície argilosa é balanceada pela soma das car-

gas positivas na camada Stern e na camada difusa. A orientação das moléculas

da água ao redor das partículas de solo proporciona as propriedades plásticas

dos argilominerais. Quanto maior é a distância entre as superfícies das partícu-

las, menor será a força de atração entre a água e o solo.

Desse modo, pode ser afirmado que a espessura da camada dupla exer-

ce influência no comportamento das partículas sólidas. Portanto, espessuras

menores tendem a favorecer às forças de atração possibilitando maiores valo-

res de resistência do solo. No que diz respeito à influência da espessura da ca-

mada dupla nos valores de permeabilidade, contudo, observa-se que quanto

menor a espessura da camada dupla, maior o espaço disponível para o fluxo

de fluidos percolantes aumentando, como consequência, a permeabilidade do

solo. A equação (2) pode ser empregada para realizar o calculo estimativo da

espessura da camada dupla.

t=√ ε⋅Kb⋅T

8⋅π⋅ne⋅e2⋅v2 Eq. (2)

Onde t é a espessura da camada dupla (Å), Kb é a constante de Boltz-

mann (razão entre a constante dos gases e o número de Avogrado), T é a tem-

peratura absoluta (oK), ne é a concentração eletrolítica na solução (íons cm-3), e

é a carga elementar, v é a valência iônica em solução e é a constante dielétriƐ -

ca. Na figura 9 pode ser observada a variabilidade da espessura na camada

17

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dupla em relação: à concentração eletrolítica (9.a) e da polaridade média do

fluido intersticial (9.b).

Figura 9. (a) Variação da espessura em função da concentração eletrolítica ao redor

da partícula sólida. (b) Variação da espessura em função da polaridade do fluido

intersticial. (Adaptado: Fang, 1997)

Destaca-se, na figura 9.b que a espessura da camada dupla aumenta

conforme aumenta o valor da constante dielétrica ( ) do fluido intersticial ,ɛ

sendo que a água, por sua alta polaridade, acaba por originar superfícies

específicas de maior espessura.

Detalha-se, na figura 10 como é que acontece a distribuição dos cations

ao redor das partículas sólidas dos argilominerais segundo o modelo da teoria

camada dupla.

Figura 10. Ilustração da distribuição dos cations próximos nas superfícies

argilominerais segundo o modelo (Adaptado: Arnold, 1978).

2.5 Comportamento hidráulico dos hidrocarbonetos em solos

Os hidrocarbonetos são substâncias orgânicas que contém apenas áto-

mos de carbono e hidrogênio nas cadeias de conformação estrutural. O destino

e o fluxo dos fluidos hidrocarbonetos na subsuperfície são influenciados, princi-

palmente, pelas propriedades dos líquidos e as características geológicas do

meio no qual o produto foi disponibilizado. As propriedades dos líquidos que

mais interferem na mobilidade dos hidrocarbonetos são a densidade, viscosida-

de e a tensão interfacial (Mercer e Cohen, 1990), embora, para solos argilosos,

a polaridade dos líquidos, medida pela constante dielétrica, aparece como fator

fundamental também (Budhu et al.,1991), como exposto na seção anterior.

19

20

Estes fluidos são derivados de óleo cru, os quais são refinados mediante

vários processos para produzir diferentes produtos derivados. Os produtos de

petróleo refinado são misturas de até centenas de compostos, as quais podem

ser classificadas com base na sua composição e suas propriedades físicas. Os

hidrocarbonetos, geralmente armazenados nos diques de contenção, estão

classificados nos seguintes grupos principais: destilados leves (gasolinas), des-

tilados médios (óleos tipo diesel combustível) e destilados pesados (óleo de

combustível pesado).

Os hidrocarbonetos denominados como não aquosos (NAPL) são líqui-

dos que existem como uma fase separada e não completamente miscível

quando em contato com a água e o ar, devido sua baixa solubilidade. O impedi-

mento para que ambas substâncias se misturem, geralmente, é devido às dife-

renças nas propriedades químicas e físicas d'água e dos NAPLs (principalmen-

te pela polaridade), resultando na formação de uma interface física entre os

líquidos, que ao mesmo tempo origina uma tensão interfacial.

Os NAPLs são classificados como leves, (LNAPL), os quais têm uma

densidade menor que a água, e densos, (DNAPL), os quais têm densidades

maiores que a água. A densidade influenciá diretamente no comportamento do

contaminante na subsuperfície. Os DNAPL tendem a migrar de forma descen-

dente pela força gravitacional até que uma barreira impermeável seja encontra-

da, passando a seguir mais a topografia do substrato impermeável do que os

gradientes hidráulicos que ocorrem na região. A solubilidade também influenciá

no fluxo dos NAPL, as moléculas altamente solúveis são rapidamente distribuí-

das na água subterrânea e tendem a ser menos volatilizadas (Vasconselos,

2008).

Quando alguma quantidade de NAPL é disponibilizado na subsuperfície,

este percolará através da zona não saturada ou vadosa, sendo que uma fração

do hidrocarboneto será retido pelas forças capilares nos poros intersticiais. O

processo de migração contínua até que uma barreira física (camada de baixa

permeabilidade) seja encontrada ou até que a migração do LNAPL seja afetada

pelas forcas exercidas pelo empuxo d’água deslocada próximo ao lençol freáti-

co. Uma vez que a franja capilar seja atingida, o LNAPL pode deslocar-se de

forma lateral como uma camada de livre fase e contínua, ao longo da margem

superior da zona saturada (lençol freático) devido às forças gravitacionais e ca-

pilares (EPA, 1995).

Enquanto aos solos, as propriedades que influenciam no fluxo ou trans-

porte dos fluidos hidrocarbonetos são a porosidade, teor de argila, pressão ca-

pilar, permeabilidade relativa, umedecimento e a saturação à água. Além disso,

as condições físicas do meio, também, contribuem na migração e a dispersão

dos produtos derivados de petróleo, sendo que todas estas propriedades ou

variáveis afetam na interação entre o fluido e o meio receptor.

2.6 Destilados Leves (LNAPL): Gasolinas

As gasolinas são misturas de hidrocarbonetos de petróleo e outros aditi -

vos químicos não pertencentes aos hidrocarbonetos, como os álcoois e o éter.

A elevada mobilidade da gasolina se deve, principalmente, ao fato que os seus

componentes tendem ter baixos pesos moleculares, baixas viscosidades e limi-

tes de solubilidade em água relativamente elevados.

Geralmente, os compostos de hidrocarbonetos encontrados na gasolina

ficam entre 4 a 10 átomos de carbono por molécula. A gasolina, é constituída

por hidrocarbonetos monoaromáticos tais como o benzeno, tolueno, etilbenze-

no e xilenos, denominadas coletivamente como BTEX. Estes constituintes são

liberados inicialmente quando a gasolina entra em contato com a água subter-

rânea devido à alta solubilidade que possuem em relação aos outros constituin-

tes da gasolina.

Segundo a portaria 518 (2004) do Ministério de Saúde brasileiro, o ben-

zeno é considerado o constituinte mais tóxico dos hidrocarbonetos, com um va-

lor de referência máximo de 5 μg/L estabelecido como padrão de potabilidade.

Na tabela 2 se apresentam os valores de solubilidade dos constituintes BTEX

obtidos por Andrade (2009), ressaltando que para o grupo dos xilenos, o único

constituinte apresentado é o para-xileno. Além disso, são apresentados os va-

lores máximos permitidos (VMP) estabelecidos na portaria, previamente menci-

onada, como padrões de potabilidade e qualidade d’água apta para consumo

humano.

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Tabela 2 – Solubilidade dos constituintes BTEX.

Constituintes Solubilidade (mg/L) VMP (μg/L)

Benzeno 1700 5

Tolueno 530 170

Etilbenzeno 170 200

Para-xileno 150 300Fonte: Andrade, 2009

No Brasil a gasolina comercial se diferencia na sua composição química

quando comparada aos outros países comercializadores. A partir do final da dé-

cada de 90 a Agência Nacional do Petróleo (ANP) concedeu a alteração da

quantidade de álcool (etanol) de 22% para 24% na composição da gasolina,

possibilitando o aumento da solubilidade dos BTEX (Corseuil e Alvarez, 1996).

O etanol adicionado na composição da gasolina comercial brasileira é

considerado como um cossolvente, que segundo a engenharia do petróleo, de-

fine-se como uma sustância química empregada em quantidades menores para

melhorar a performance do solvente primário dentro de um processo químico.

Além disto, os cossolventes são considerados como compostos oxigenados,

miscíveis na água de forma parcial ou completa (Castro Filho, 2007).

O efeito do cossolvente ou a cossolvência, define-se como a influência

de compostos oxigenados na solubilidade de um soluto qualquer. Consequen-

temente, a cossolvência reduz a polaridade da fase aquosa, reduzindo o coefi-

ciente de atividade, possibilitando uma maior concentração de compostos orgâ-

nicos hidrofóbicos na água como demostrado em vários estudos (Grooves,

1988; Ji e Brusseau, 1988; Borges, 2002). Outra característica importante ob-

servada é que quando em presença dos cossolventes a tensão superficial é di-

minuída, provocando um aumento na mobilidade da fase não aquosa, além de

reduzir o grau de saturação residual desta fase (Demond e Roberts, 1991).

2.7 Destilados Médios

Estes fluidos podem conter até 500 componentes individuais, porém es-

tes tendem ser mais densos, menos voláteis, menos solúveis e menos móveis

(maior viscosidade) que a gasolina. Exemplos deste tipo de líquidos são o die-

sel, querosene, combustível de avião e óleos para combustível mais leves. Os

BTEXs são encontrados, geralmente, como vestígios de impurezas nesta cate-

goria. Geralmente, não são encontrados nas plumas dos sítios afetados por

eventos de contaminação antigos devido aos processos de biodegradação,

evaporação e dissolução que acontecem entre o fluido e a água subterrânea.

2.8 Óleo de Combustível Pesado

Estes líquidos são similares tanto em composição como nas suas carac-

terísticas físicas quando comparado com os destilados médios. Estes combus-

tíveis, contudo, são ainda mais viscosos e são praticamente insolúveis na água

subterrânea, sendo, portanto, considerados quase fixos na subsuperfície. A

maioria dos compostos nestes líquidos tem mais de 14 átomos de carbono e al-

guns até 30. Do mesmo jeito que as categorias anteriores, compostos leves es-

tão presentes somente em pequenos vestígios devido a sua biodegradabilidade

e dispersão.

2.9 Permeabilidade em Solos

A partir da realização de seus experimentos pioneiros, Darcy concluiu

que a velocidade de descarga d'água é diretamente proporcional ao gradiente

médio da energia através do solo e ao coeficiente de permeabilidade. Após

estas observações, feitas empregando areais limpas, ele propôs uma equação

(Eq. 3), conhecida como a lei de Darcy.

v=−k×ih (3)

Onde v é a velocidade de descarga da água [LT-1], k é o coeficiente de permea-

bilidade do solo [LT-1], ih é o gradiente médio de energia através do solo (adi-

mensional).

Na figura 11 se apresentam as faixas de variação dos valores típicos

para o coeficiente de permeabilidade segundo a classificação do solo (Casa-

grande e Fadum, 1940). As características de escoamento ou drenagem são

definidos como bons dentro da faixa de 102 – 10-2, pobres entre 10-3 – 10-7 e im-

permeáveis entre 10-7 – 10-9. Destaca-se que para o caso das barreiras mine-

rais o principal objetivo é a impermeabilização e não a drenagem.

23

24

Figura 11. Faixas de variação do coeficiente de permeabilidade segundo a granulome-

tria do solo (Adaptado: Casagrande e Fadum, 1940).

Diversos são os fatores que condicionam o valor de permeabilidade à

água e a outros fluidos segundo o tipo de solo, sendo os mais influentes os

seguintes (LAMBE e WHITMAN, 1969):

• Estrutura do solo

• Tortuosidade dos vazios

• Temperatura ambiente

• Distribuição e tamanho das partículas

• Mineralogia

• Grau de saturação (ou umidade) de compactação e densidade seca

máxima

• Teor de umidade natural do solo

O penúltimo fator considera o teor de umidade na moldagem e o peso

específico seco obtido no processo de compactação. Enquanto o foco seja

prevenir futuras contaminações pelo uso de barreiras minerais compactadas,

estes são os fatores que, em conjunto com textura e mineralogia, regem os

valores de permeabilidade, pelo menos no que é concernente ao meio poroso.

Em se tratando de solos não saturados, fluidos água/ar, o conteúdo de

água modifica a permeabilidade do solo, visto que a seção de líquido disponível

ao fluxo é modificada com alterações neste parâmetro, o que conduz à

obtenção da curva de condutividade à água, necessária para a realização de

simulações de fluxo na zona não saturada (ou zona vadosa). A curva de

condutividade possui como valor máximo a permeabilidade unifásica do solo

(solo saturado à água), sendo que o valor de permeabilidade decresce à

medida que o solo seca. Entretanto, o estudo do fluxo em solos não saturados

foge do escopo deste trabalho.

Para o caso de fluxo multifásico, o conteúdo ao fluido mais molhante

(normalmente a água) influenciará na permeabilidade do fluido menos

molhante (normalmente o NAPL). Neste caso a permeabilidade obtida será a

permeabilidade efetiva, a qual se obtém pelo produto da permeabilidade

relativa por uma permeabilidade de referência (normalmente a permeabilidade

unifásica do fluido em questão). Este é essencialmente o caso dos ensaios

realizados em amostras compactadas de solo, com ou sem adição de material

orgânico. Como as amostras são compactadas na umidade ótima, é de se

supor que o conteúdo de água influenciará na permeabilidade ao NAPL

(diesel). Apesar disto, como o foco do trabalho está na permeabilidade obtida

para o NAPL nas condições de compactação, o valor de permeabilidade obtido

será tratado de forma idêntica ao valor de permeabilidade monofásico.

Mesri e Olson (1971) verificaram que em solos argilosos a

permeabilidade é influenciada por variáveis mecânicas e físico-químicas. As

variáveis físico-químicas influenciam na dispersão ou na agregação das

partículas de argila. Baseia-se esta abordagem no fato de que a molécula de

água, com um grande momento dipolo, liga-se ao solo com grande área

superficial, como as argilas, sendo que a maior parte do líquido existente nos

poros se torna um filme adsorvido, sendo mantida no lugar por atrações

intermoleculares de vários tipos, conforme já discutido nos itens que versam

sobre carga superficial e camada dupla. A existência de uma camada de água

adsorvida sobre a superfície das partículas do solo reduz eficazmente o

tamanho dos canais dos poros livres para o fluxo, diminuindo a capacidade do

fluido se mover através do solo.

Fluidos que têm polaridades menores do que a água, como é o caso de

muitos líquidos orgânicos, são menos fortemente ligados aos minerais do solo,

e o fluido flui mais facilmente através da rede de poros. Para Budhu et al.

(1991), os fatores potencialmente importantes nas variações de suas

propriedades hidráulicas para solos argilosos permeados por líquidos

orgânicos, são as propriedades dos permeantes, a composição físico-química

do solo e a natureza da adsorção do permeante pelas partículas.

25

26

No que refere à distribuição do tamanho das partículas, a

permeabilidade é influenciada devido ao tamanho dos vazios, nos quais o fluxo

é transportado, sofrendo mudança pela proporção relativa entre as diferenças

de tamanho das partículas sólidas. Segundo Benson et al (1994), quando o

solo for bem graduado e a fração argilosa governar o comportamento

hidráulico, existe uma alta probabilidade de se encontrar valores baixos de

permeabilidade.

As figuras 12.a e 12.b, apresentam os resultados dos estudos feitos por

Benson et al. (1994), nas quais determinou que a permeabilidade em relação à

água diminui com o aumento dos limites de consistência (WL e IP). Observa-

se, uma diminuição acelerada do coeficiente de permeabilidade entre a faixa de

10 – 30 de WL e IP. Porém, os valores tornam-se menos sensíveis a estes

parâmetros depois de chegar ao limite de 40% para o WL e 30% para o IP.

Figura 12. O gradiente hidráulico em relação ao: a) WP b) IP. (Adaptado: Benson et al,

1994)

Esta tendência é a esperada, como apresentado na seção 2.2.1, já que

os limites de consistência são diretamente relacionados com a mineralogia dos

solos e o conteúdo de matérias finos (argila e siltes). Um aumento no teor de

argila, como visto por Oliveira (2001), ou na presença de argilominerais mais

ativos, geralmente correspondem numa redução no tamanho dos micróporos e,

portanto, conduzem a uma permeabilidade menor (Lambe 1954, Benson et al

1994).

Segundo Benson e Trast (1995), a composição do solo pode afetar

significativamente o coeficiente de permeabilidade, especialmente quando o

solo for compactado na faixa úmida da curva de compactação, onde o fluxo é

controlado pelo tamanho, forma e a conectividade dos micróporos. Além disso,

quando o teor de umidade incrementa acima do valor de umidade ótima, junto

com um alto esforço (energia) de compactação, a permeabilidade diminui. A

figura 13, apresenta como as diferentes energias de compactação e o grau de

saturação inicial afetam à permeabilidade dos finos (argilas).

Figura 13. Coeficiente de permeabilidade em relação ao teor de compactação inicial.

(Benson e Trast, 1995)

Uma tendência decrescente do coeficiente de permeabilidade pode ser

observado com o aumento do grau de saturação inicial e mediante a aplicação

de uma maior energia de compactação. Benson e Trast (1995), afirmaram que

todas as amostras estudadas, quando compactadas com grau de saturação

inicial maior que 85%, atingiram permeabilidades menores que 1x10-9 m/s,

atingindo os valores mínimos de referência estabelecidos para as camadas de

impermeabilização no Brasil. Contudo, os autores chamam a atenção que o

aumento do grau de saturação nem sempre resulta em menores valores de

permeabilidade.

27

28

2.10 Permeabilidade Intrínseca de Meios Granulares

O físico estado-unidense Perley G. Nutting (1934) realizou vários

experimentos de fluxo em permeâmetros com diferentes tipos de fluido,

empregando amostras do mesmo solo, em condições de laboratório iguais.

Nutting identificou diferentes valores de velocidade, quando o fluido não era o

mesmo, apesar de o gradiente hidráulico se manter constante. Conclui que as

propriedades do fluido, notadamente a viscosidade (µ) e a densidade (ρ)

influenciam no valor da velocidade de percolação. A partir dos estudos

realizados, Nutting propôs a seguinte equação, para determinar a

permeabilidade do solo granular:

k=K⋅ρ⋅g

μ(4)

Onde g é a constante de aceleração gravitacional, apresentado em [LT-

2]; ρ é a densidade do fluido, dado em [ML-3]; µ é a viscosidade dinâmica do

fluido, apresentado como [ML-1T-1]; e K, o coeficiente de permeabilidade

absoluta, ou intrínseca, dado em [L2]. Esta equação é comumente empregada

em prever o valor de permeabilidade a obter para um segundo fluido a partir de

um valor de permeabilidade obtido para um fluido inicial, ambos de diferentes

densidade e viscosidade.

Sabe-se que o parâmetro K é apresentado como a propriedade do meio

poroso granular que permite o escoamento de fluidos através de seus poros,

independentemente do fluido utilizado na sua determinação. É assim, que com

o valor de K poderia ser obtido e, após, utilizado no cálculo da obtenção da

permeabilidade ao fluido de interesse, empregando os valores conhecidos da

densidade e viscosidade de outro fluido, num determinado solo.

A permeabilidade intrínseca (K) é considerada como aquela propriedade

do meio poroso granular, independente das características do fluido percolante

(Corey, 1956). Além disto, se considera uma constante representativa das

características apenas do meio poroso, sendo função especialmente do

tamanho dos seus poros (Fetter, 2001). Consequentemente, depende do

tamanho dos grãos, arranjo, forma e distribuição dos poros do material do solo

(Daniel, 1993). A equação de Kozeny-Carman (Eq. 5) relaciona a

permeabilidade intrínseca às propriedades geométricas do meio poroso

baseada no conceito de raio hidráulico (Hillel, 1971; Klar, 1984).

K=n3

C ×a2× (1−n )2(5)

Onde n é a porosidade do meio [adimensional], C é o fator de forma,

[adimensional] e a é a superfície específica exposta ao fluido (área superficial

por unidade de volume)[L²L-3].

Diversos estudos têm demostrado que a permeabilidade intrínseca

definida por Nutting (1934) é valida apenas para o meio granular. Segundo

Oliveira (2001), nas argilas não se observa a independência entre a

permeabilidade intrínseca e o líquido permeante, devido ao excesso de cargas

elétricas na superfície dos argilominerais e a sua grande superfície específica e

ainda em função das propriedades elétricas dos fluidos, fazendo com que os

fenômenos de interação elétrica fluido/sólidos tenham grande influência na

permeabilidade.

Ainda segundo o autor, quanto maior for a constante dielétrica dos

fluidos permeando sedimentos argilosos, maior será a propensão das argilas

de adsorver o líquido. É apontado na literatura que a constante dielétrica do

líquido influencia fortemente o volume de líquido adsorvido pelas argilas, fator

que também determina o grau de expansividade da argila. Devido à

interferência das cargas elétricas da superfície das argilas na permeabilidade

de solos argilosos há forte limitação em aplicar-se a definição de Nutting (1934)

para se calcular a permeabilidade intrínseca quando a fração argilosa do solo é

não desprezível, situação demonstrada por Hillel (1971), Fernandez e Quigley

(1985), Schramm et al. (1986), Oliveira (2001) e Cardoso (2011), dentre outros.

Para investigar a influência da constante dielétrica sobre os valores de

permeabilidade Budhu et al. (1991) realizaram experimentos nos quais a

permeabilidade intrínseca era medida para os líquidos orgânicos e para a água.

A partir dos resultados obtidos, propuseram uma equação empírica (Eq. 6),

relacionando a razão das permeabilidades intrínsecas (Kp/Kw), com a constante

dielétrica do fluido. Nesta equação, os subscritos p e w representam o líquido

orgânico e a água, respectivamente.

29

30

K p

K w

=eλ(1− ε p

εw ) (6)

Onde λ [ - ] é uma constante que depende do tipo de solo e do histórico de

tensões do mesmo.

A definição do valor de λ não foi claramente estabelecido na equação

(6), porém através de dados experimentais obtidos por outros pesquisadores,

se definiram os valores de λ = 7 para a montemorilonita, λ = 6 para a ilita e λ =

1 para a caulinita. Enquanto, que para os resultados de permeabilidade obtidos

por Fernandez e Quigley (1985), os valores foram de λ = 4,5 e λ = 8, para a

argila proveniente de Lockport e Sarnia, respectivamente.

Em relação à influência da constante dielétrica, Budhu et al. (1991)

concluíram que esta pode não ser o único fator responsável pelo

comportamento hidráulico do conjunto solo/fluido em solos argilosos. Esta

asseveração foi confirmada posteriormente por Oliveira (2001) que encontrou,

além da influência de densidade (ρ), viscosidade (μ) e constante dielétrica (ε), a

influência do teor de argila e de um parâmetro de dimensão (L2) ligado ao

tamanho de poro, como sugerido por Kozeny-Carman (1937).

Cardoso (2011), dando seguimento aos estudos realizados e dados

obtidos por Oliveira (2001), compilou resultados de ensaios de permeabilidade

para diferentes tipos de solos, com diferentes fluidos percolantes. Estos

ensaios de permeabilidade forma feitos com amostras de bentonita (grupo da

montmorillonita) e areia, encontrando uma redução nos valores de

permeabilidade de 1x10-4 cm/s a 1x10-8 cm/s, quando a concentração ou teor

de bentonita foi incrementando de 0% a 20%. Não obstante, quando o teor de

bentonita foi incrementado acima de 20%, a redução na permeabilidade foi

menos evidente. Uma explicação deste fenômeno pode ser ilustrada pelo

revestimento das partículas das argilas nas partículas das areias, o que dá

como consequência que o solo apresente um comportamento hidráulico mais

semelhante à argila.

Na figura 14 observa-se os resultados experimentais de permeabilidade

obtidos nas misturas de bentonita e areia por Oliveira (2001), para os fluidos

gasolina pura, tetracloreto de carbono, óleo diesel, gasolina comercial e etanol,

além dos resultados obtidos por Cardoso (2011) em relação à água. As curvas

apresentam uma tendência parecida para cada um dos líquidos, que é a

diminuição da condutividade hidráulica saturada com o aumento do teor de

bentonita.

Figura 14. Curvas de Permeabilidade em função do teor de massa de bentonita

(Oliveira 2001 e Cardoso 2011).

Observa-se, no entanto, na figura de acima, que quanto maior o valor da

constante dielétrica do fluido, menor será a sua permeabilidade, validando a

teoria da camada dupla mencionada com anterioridade. Além disto, verifica-se

uma imutabilidade nos valores de permeabilidade saturada para teores de

argila superiores a 40% (Cardoso, 2011). Oliveira (2001) propõe a equação (7)

para representar a influência da constante dielétrica do fluido em relação a sua

permeabilidade intrínseca. De acordo com o autor, contudo, o valor de N,

mostra-se dependente do tipo de solo ou do seu conteúdo de argila.

k=ρgμ(

15)[

n ³

(n−1)2 ]Bε

N (7)

Onde ρ é a densidade do líquido percolante, μ é a viscosidade do líquido

percolante, ց é a constante de aceleração gravitacional, n é o teor de argila do

solo, B é o parâmetro de dimensão [L2] associado à área de um poro

representativo, não definido experimentalmente e ε é a constante dielétrica do

fluido percolante.

31

32

Como forma de ilustração do efeito da constante dielétrica do fluido no

gradiente hidráulico, são apresentados os gráficos das figuras 15 e 16

(Machado, 2008), onde os triângulos vermelhos são os dados experimentais de

permeabilidade para os diferentes tipos de solo estudados e a reta de cor azul

apresenta os valores de condutividade hidráulica saturada, obtidos pela

equação 7.

Figura 15. Valores de condutividade hidráulica saturada em relação à gasolina

comercial. (Machado, 2008).

Figura 16. Valores de condutividade hidráulica saturada em relação ao óleo diesel

comercial. (Machado, 2008).

De forma geral, os resultados obtidos para ambos hidrocarbonetos

apresentados nas figuras 15 e 16, supondo a validade da equação 7 tendem a

subestimar os valores experimentais de permeabilidade. A maior discrepância,

encontra-se nos resultados do solo Massapê em ambos fluidos percolantes,

sendo este solo o que mais matriz de finos possui. Uma clara relação pode ser

identificada, enquanto maior o teor de argila maior a discrepância entre os

resultados experimentais e a previsão da equação 7. Constate-se, uma vez

mais, que os limites de consistência influenciam significativamente nos valores

obtidos, o que dá uma orientação sobre o motivo pelo qual os valores de N se

mostraram dependentes do tipo de solo ou do seu teor de argila.

Machado et al. (2016), após de diversos estudos e coleta de dados com

vários tipos de solos argilosos da região, estabeleceram uma equação derivada

do modelo proposto por Nutting (1934) expressado pela equação (8). Esta

adaptação tem como alvo prever os coeficientes de permeabilidade dos fluidos

com diferentes constantes dielétricas (polaridade) em solos argilosos.

Segundo o autor várias ferramentas estatísticas foram empregadas, na

procura da melhor correlação de variáveis entre solo/fluido. Os parâmetros que

apresentaram melhor correlação de valores com as razões de permeabilidade

da equação (8): o logarítmico do coeficiente de permeabilidade à água (kw), o

IP e a relação entre a constante dielétrica d’água (ɛw) e o fluido percolante ( ),ɛ

dando como resultado a equação (8).

log (kexp

k nutting

)=a(εwε −1)

b

[1−exp[−cIPc+ IP

log(k ref

kw

)]

+IP

c+ IP[d log(

kref

k w

)+e

1−Srw

] ]

(8)

Onde a, b, c, d, e e kref são valores constantes para o ajuste do modelo. O

parâmetro Srw, refere-se ao grau de saturação do solo à água, que empregado

nesta modelagem representa a influência do teor de umidade encontrada no

solo à permeabilidade do NAPL.

Além disso, Machado et al. (2016) propõe outra equação (9) para

determinar a constante dielétrica resultante pela interação do sistema com

aqueles fluidos miscíveis à água (ex. etanol), os quais tendem mudar a

constante dielétrica da solução pela mistura acontecida dentro dos poros do

33

34

meio. Nesta equação, estima-se a polaridade do fluido intersticial como a

média ponderada do volume ocupado pelo líquido miscível.

ε=εw Srw+(1−Srw)εf (9)

Onde ɛf e ɛw são as constantes dielétricas do fluido miscível e da água,

respectivamente.

A partir disto, as equações 8 e 9 podem ser relacionadas para calcular o

coeficiente de permeabilidade para um fluido qualquer diretamente, tomando

como base o coeficiente de permeabilidade obtido no meio relacionado à água.

Nesta abordagem os parâmetros como a densidade d'água e o fluido e sua vis-

cosidade são considerados, resultando na seguinte expressão (10):

k f=fw

μ̇wμf

1̇0[a (

εw

ε −1 )

b

[1−exp[−cIPc+ IP

log (kref

kw

)]

+IP

c+IP[d log(

k ref

kw

)+e

1−Srw

]]](10)

Os resultados obtidos através da utilização desta equação 10 por

Machado et al. (2016) apresentaram um valor de R2= 0,914, o que,

considerando um intervalo de confiança do 90%, obteve-se um erro máximo de

6,4 vezes entre os valores previstos e experimentais. Vale ressaltar ainda que a

maior parte dos valores fora do intervalo de confiança foram obtidos para o solo

tipo Massapê especificamente. Com o uso da equação 10, identificou-se uma

diminuição na margem de erro potencial na previsão do coeficiente de

permeabilidade, indo de um erro de 100,000 vezes de diferença, para 6,4

vezes, melhorando significativamente a previsão dos resultados de gradiente

hidráulico para os líquidos hidrocarbonetos.

Na figura 17 se apresentam dados experimentais coletados por

diferentes pesquisadores (Brown et al., 1985; Fernandez e Quigley, 1985;

Schramm et al. 1986; Amarasinghe et al., 2012) e previstos pela equação 10,

com os parâmetros ajustados empregando o banco de dados utilizados por

Machado et al. (2016).

Figura 17. Validação da modelagem com dados experimentais da literatura. (Machado

et al., 2016)

Percebe-se uma boa performance do modelo, apesar de mais de 10%

dos dados experimentais terem ficado fora do intervalo de confiança. De

acordo com os autores, isto pode ter sido motivado pelo uso de procedimentos

experimentais diferenciados na obtenção dos coeficientes de permeabilidade,

como por exemplo, o uso do ensaio de adensamento para a obtenção do k, ou

a consideração de outros parâmetros do solo, como o CTC, que tiveram de ser

transformados em valores de IP, contribuindo para uma maior dispersão na

previsão dos valores de k experimentais.

2.11 O Carvão Ativado e suas aplicações

O carvão ativado (CA) pode ser definido como uma forma pura do

carbono que passa por processos físico-químicos de ativação possuindo uma

conformação estrutural cristalina altamente porosa internamente. Este

processo de ativação do carvão aumenta significativamente as suas

capacidades adsortivas devido às mudanças de características físicas como

superfície especifica e porosidade. Consequentemente, as dimensões dos

poros determina a capacidade de adsorção, a estrutura química interfere na

interação electro química com outros fluidos ou moléculas segundo a sua

polaridade (Costa, 2006).

35

36

Este material orgânico tem sido utilizado para diversas aplicações com

propósitos específicos devido a sua estrutura química e à capacidade de

reação com outros heteroátomos (oxigênio, hidrogênio, etc.). Além disto,

grande importância dá-se à composição química das superfícies do CA, sendo

estas características condicionantes para a sua aplicação (Bandosz e Ania,

2006). O CA, considera-se como um dos melhores absorventes de fluidos

orgânicos devido a sua característica hidrofóbica, alta superfície especifica

(800 – 1200 m2/g) e composição microporosa (Vasilyeva et al., 2006).

Segundo Bandosz e Ania (2006), a estrutura física dos materiais conten-

do carbono , define-se como os átomos de carbono agrupados entre camadas

de anéis aromáticos fusionados, com algum grau de planaridade condicionado

pelo teor de grafite neles. O CA pode ser obtido segundo a sua composição

granulometrica: de forma granular (CAG) ou pulverizado (CAP). O CAP contem

partículas mais finas, conseguindo passar pela peneira Mesh no. 325 (0,044

mm), em contraste com o CAG, que é retido entre as peneiras Mesh No. 10 –

40 (Hackman, 1978).

Geralmente, em técnicas de remediação, o CAG é utilizado em reatores

e o CAP é utilizado em para tratamento de água (consumo humano e residu-

ais). Estes materiais ajudam à formação de lodos, através de filtração ou as-

sentamento dos poluentes, facilitando a sua remoção (Ehrenfeld and Bass,

1984). Além disso, o CA tem sido empregado para a biorremediação do solo na

remoção de líquidos orgânicos voláteis (hidrocarbonetos de petróleo, solventes

clorizados) e para a adsorção de poluentes orgânicos em águas subterrâneas

(Khodadoust et al.,1999; Pradhan e Srivastava,1997).

A capacidade adsortiva do CA, fundamenta-se em interações tais como:

força dipolar, as ligações de hidrogênio e diferenças no pH (Bandosz e Ania,

2006). A agência de proteção ambiental dos EUA (USEPA) recomenda a utiliza-

ção do CA na remoção de compostos orgânicos, sendo considerado como das

melhores tecnologias disponíveis na atualidade (Nicholas, 2002).

Para o concernente do presente trabalho de pesquisa, espera-se, de for-

ma geral, que o CA diminuía a concentração de hidrocarbonetos disponibiliza-

dos no meio de 1% - 30% da sua própria massa. Esta característica adsortiva

do CA tem sido comprovada como técnica de remediação em corpos de água,

quando em presença de materiais tóxicos com concentrações menores de 10%

(Hackman, 1978). O CA tem uma boa adequação na remoção de contaminan-

tes orgânicos misturados em resíduos aquosos (Shuckrow, Pajak,

Touhill,1982).

As técnicas empregando o CA tem uma abordagem muito promissora,

podendo ser utilizado como pré-tratamento, tratamento completo ou para a lim-

peza de efluentes. Os contaminantes orgânicos quando entram em contato

com a superfície do CA, conseguem se aderir devido às forças físicas e quími-

cas que ocorrem entre eles (Nielsen, 1983; IT CORPORATION, 1987). Os prin-

cipais fatores das forças atrativas são a própria natureza oleofilica e a afinidade

para o CA.

Este material possui a capacidade de adsorção da grande maioria dos

poluentes químicos disponibilizados no meio, embora segundo a origem de for-

mação do CA estes serão mais seletivos dependo do tipo de poluente encon-

trado (Robinson, 1979). Porém, são vários os fatores que afetam o grau de ad-

sorção do CA, alguns dos principais fatores, estudados até agora são os se-

guintes (Knox et al., 1984):

• Solubilidade do poluente; sendo os insolúveis mais favoráveis para a

adsorção.

• O pH da água, influenciando o grau de ionização do poluente.

• Características do adsorvente

• Propriedades dos poluentes

A tabela 3 apresenta as concentrações tanto de afluentes como efluentes de

vários líquidos orgânicos, apresentando o grau de adsorção do CA utilizado

como material de biorremediação (Canter and Knox, 1985).

37

38

Tabela 3 – Adsorção do Carvão Ativado aos Orgânicos.

PoluenteConcentração do Afluente

(μg/L)

Concentração do Efluente

(μg/L)

Fenol 63.000

2.400

40.000

<100

<10

<10

Tetracloreto de Carbono 61.000

130.000

73.000

<10

<1

<1

1,1,2-Tetracloretano

Tetracloretileno

80.000

44.000

70.000

<10

12

<1

1,1,1-Tricloroetano 23.000

1.000

3.300

12.000

143.000

115

ND

<1

<1

<5

<1

1

Benzeno 2.800

400

11.000

<10

<1

<100

Fonte: Canter, L. W. e Knox, R. C.; 1985. (ND = Não Determinado)

Segundo Ayotamuno et al. (2006), o CA se apresenta como um material

de biorremediação ambiental em contra de líquidos hidrocarbonetos quando

misturados com a água subterrânea, evidenciando redução nas concentrações

de 96% e 99% utilizando CAG e CAP, respectivamente. Além disso,

evidenciou-se que o tempo de contato influencia na adsorção dos

hidrocarbonetos.

3. DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL

Este capítulo apresenta os procedimentos desenvolvidos no presente

trabalho para o estudo da influência da adição de carvão ativado na redução da

permeabilidade de barreiras minerais compactadas a fluidos derivados de pe-

tróleo, assim como os resultados de caracterização obtidos dos materiais em-

pregados. Para a realização do estudo foram executados ensaios de permeabi-

lidade empregando permeâmetros de parede rígida a carga variável. O desen-

volvimento experimental abrangeu desde a coleta das amostras deformadas

em campo até a execução dos experimentos de laboratório. Para a realização

dos trabalhos foi utilizada a infraestrutura (aparelhagem, ferramentas, equipa-

mento) dos laboratórios de Geotecnia Ambiental (GEOAMB) da Escola Politec-

nica da Universidade Federal da Bahia (EP-UFBA), de solos da Universidade

Católica de Salvador (UCSAL) e de Ensaios em Durabilidade dos Materiais

(LEDMA) da EP-UFBA.

Começa-se o trabalho de investigação com revisões bibliográficas em li-

vros, artigos científicos e dissertações sobre assuntos tais como: fatores que

influenciam a permeabilidade do solo, interação solo/líquido, influência da ca-

mada dupla em solos argilosos e as técnicas utilizadas na adequação dos coe-

ficientes de permeabilidade em barreiras minerais, utilização de amostras de

solo residual granulítico (Gnaisse) e da formação sedimentar tipo Barreiras.

Na figura 18 se apresenta o fluxograma dos procedimentos delineados no

presente trabalho, sendo divididos em duas etapas: a) coleta, caracterização e

preparação dos materiais prévios à montagem dos ensaios de permeabilidade;

b) montagem/desmontagem e execução dos ensaios de permeabilidade para

cada CP, além da análise dos índices físicos e a performance de cada mistura

em estudo. Na sequência, estas atividades são apresentas de forma pormeno-

rizada.

39

40

a)

b)

Figura 18. Esquema do procedimento e avaliação experimental para cada CP: a) Fase

I; b) Fase II.

3.1 Escolha dos materiais

Os materiais descritos neste trabalho foram selecionados após diversas

considerações, priorizando a factibilidade dos resultados experimentais a se

obter em condições de laboratório e replicar no campo. Particularmente, deu-se

ênfase à adição de carvão ativado como material orgânico para que se pudes-

se atingir os requisitos desejados na diminuição dos coeficientes de permeabili-

dade nos tipos de solos estudados. Outros materiais orgânicos, como o PET ou

PVC também foram aventados, mas foram descartados devido às dificuldades

de moagem até as texturas desejadas. Foram escolhidas, para a realização do

presente estudo, as seguintes formações de solo:

i. Sedimentos oriundos da alteração do embasamento cristalino, solo resi-

dual granulítico (solo granulítico), com característica argilosa, com amos-

tra obtida no talude do terreno de fundo da Escola Politécnica, Salvador

(ver figura 19.a).

ii. Sedimentos Terciários da Formação Barreiras, constituídos por sedimen-

tos areno-argilosos com argilas cauliníticas (bilaminares, não expansi-

vas), tendo sido amostrado na região do Centro Industrial de Aratu (CIA),

Salvador (ver figura 19.b);

Dois tipos de fluidos percolantes (água pura e diesel comercial) foram

selecionados para a realização dos ensaios de permeabilidade, de forma a

avaliar o efeito das adições orgânicas na água, tida como fluido de referência, e

no óleo diesel, adotado como NAPL de referência pela baixa polaridade que

este possui.

a) b)

Figura 19. Lugar de coleta das amostras de solo: a) EP-UFBA; b) Estrada CIA/Aero-

porto

3.2 Coleta e preparação dos solos, carvão ativado e fluidos

3.2.1 Fluidos Permeantes

A tabela 4 apresenta as propriedades físico-químicas dos fluidos utiliza-

dos ao longo da execução experimental deste trabalho. A água utilizada foi

aquela recebida pela EP-FUBA na rede de distribuição pública gestionada pela

EMBASA a temperatura ambiente; sendo deionizada com um dispositivo de os-

41

42

mose inversa (Gehaka, OS10-LX), diretamente ligado à rede de distribuição de

água no GEOAMB (ver figura 20). A água deionizada apresentou uma conduti-

vidade elétrica de 0,05 μS/cm a 25 ºC e foi armazenada em um reservatório

plástico de 20 L, sendo utilizada durante o processo de saturação e a execução

do ensaio de permeabilidade. O óleo diesel foi adquirido em um mesmo posto

comercial de venda de combustíveis, tentando-se diminuir a variabilidade das

propriedades do fluido, para melhor controle de qualidade na obtenção dos re-

sultados em cada ensaio.

Tabela 4. Propriedades dos Fluidos a 29 oC.

Fluido Massa Especifica (ρ) g/cm3 Viscosidade Abs.(μ) cP Constante Dielétrica (ε)

Água 0,9954 0,810 80,08

Diesel 0,8323 3,75 2,13

Fonte: Oliveira, 2001

Figura 20. Aparelho de osmose inversa utilizado para deionizar a água potável.

3.2.2 Carvão Ativado

O CA em suas formas granular (CAG) e pulverizada (CAP) foram adqui-

ridos através de fornecedores privados locais, enquanto que a forma mineral do

carvão foi cedida pela EMBASA. No total três tipos de CA foram utilizados

como aditivo orgânico ao solo, detalhados em seguida:

i. O CAG de origem vegetal (madeira) foi obtido pelo fornecedor Casa dos

Filtros (vendas01@abf-filtros.com.br) na cidade de Salvador – BA. A re-

ferência granulométrica deste material especificada pelo fabricante foi de

5,66 mm x 3,36 mm.

ii. O CAP de origem vegetal (fibra de coco) foi adquirido através do forne-

cedor Bahiacarbon Agro industrial LTDA (saul.bacarbon@gmail.com), lo-

calizado em Valença – BA. Este carvão é feito a base do rejeito de coco

gerado na região e reaproveitado por esta empresa sendo disponibiliza-

do no mercado.

iii. O CA de origem mineral (CAM) foi doado pela EMBASA em Salvador –

BA. O mineral constituinte deste CA é o antracito fornecido pela empresa

Rio Deserto (www.riodeserto.com.br), possuindo uma granulometria de

0,59 mm – 2,00 mm e 90% de pureza. Este é utilizado nas estruturas de

filtragem do sistema de abastecimento de água potável da região, o

CAM tem a capacidade de adsorver possíveis toxinas encontradas na

água.

No caso do CAG e o CAM estabeleceu-se uma metodologia empírica para a re-

dução da textura de ambos materiais, visando a uma melhor homogeneidade

na mistura solo/carvão e um aumento da superfície específica das partículas

sólidas. Para o caso do CAP não foi necessária inicialmente a realização deste

procedimento devido à sua propícia granulometria inicial. Este procedimento

empírico foi realizado empregando um moinho de bolas, localizado em uma

das dependências do LEDMA. Este dispositivo contém 3 componentes princi-

pais: a base rotativa de correias, o jarro de alumínio e as bolas de porcelana,

cujos componentes estão descritos na tabela 5. A quantidade de CAG a ser uti-

lizada em cada batelada de moagem foi determinada após diversos testes ex-

perimentais e a observação na mudança significativa no tamanho dos grãos. As

figuras 21.a e 21.b apresentam fotos do equipamento utilizado.

Tabela 5. Informação descritiva dos componentes que conformam o moinho de bolas.

Componente Descrição

Base Rotativa Marca: Quimis; Modelo: Q298-1

Jarro Material: Aço; Volume: 17.462 cm3

Bolas Material: Porcelana; Diâmetro: 3,81 cm

Fonte: Autor

43

44

a) b)

Figura 21. Modelo de moinho de bolas utilizado para reduzir a granulometria do CAG.

Um total de 32 bolas de porcelana foram empregadas durante o procedi-

mento de moagem (ver figura 21.a), correspondentes às indicações do fabri-

cante requerido segundo o volume do jarro. Cada um dos componentes foi de-

vidamente inspecionado, evitando comprometer e alterar as características pró-

prias das amostras de CA inserido no dispositivo. Os passos delimitados para a

execução deste procedimento experimental foram assim estabelecidos:

i. Coletar uma amostra de CA entre 3.000 – 4.000 kg mediante quartea-

mento (ver figura 22.a).

ii. Inserir dentro do jarro a amostra obtida de CA colocando as bolas de

porcelana em camadas intercaladas, contendo até 5 bolas cada (ver fi-

gura 22.b).

iii. Moer a amostra de CA por um tempo exato de 120 minutos.

iv. Separar o material resultante para a realização de cada mistura solo/car-

vão.

v. Preparar 300 – 400 g da amostra resultante do processo de moagem e

triturar por 30 segundos em um liquidificador industrial (ver figura 22.d).

Ressalta-se o cuidado durante o procedimento quanto ao aquecimento

deste aparelho provocado pelo contato do CAG com o metal.

Finalmente, observou-se uma redução significativa na granulometria do CAG

(ver figura 22.e) podendo este então ser misturado com o solo visando a uma

melhor qualidade de resultados nos ensaios de permeabilidade.

a) b) c)

d) e)

Figura 22. Processo de moagem do CAG: a) Amostra de CAG coletada; b) Colocação

do CAG dentro do moinho de bolas; c) Amostra obtida após de 120 minutos; d) Modelo

do liquidificador industrial utilizado; e) Amostra final de CAG após do procedimento ex-

perimental

3.2.3 Solos: Granulítico e de Barreiras

Efetuaram-se coletas de amostras deformadas dos solos pela equipe de

investigação do GEOAMB, sendo estas utilizadas nos ensaios de caracteriza-

ção física (granulometria, massa específica dos sólidos, limites de consistên-

cia), ensaios de compactação e na preparação dos CPs para os ensaios de

permeabilidade a carga variável.

Cada solo, obtido conforme descrito previamente, foi armazenado em

sacos de nylon no sítio da coleta e trasladado até as instalações do GEOAMB.

Em seguida, as amostras foram espalhadas, dentro de um espaço coberto no

GEOAMB, procurando a passagem contínua de ar (ver figura 23). O material foi

colocado sobre de uma lona sintética em uma camada de 2,5 cm de espessura

máxima, durante 2-3 dias, sendo este o tempo de secagem necessário para

45

46

toda a amostra coletada. Procurou-se a uniformidade na distribuição de umida-

de pelo revolvimento constante das partículas de solo duas vezes por dia até

alcançar a umidade higroscópica do material.

Figura 23. Procedimento de secagem do solo coletado em campo.

Em seguida realizou-se o peneiramento (uso da peneira Mesh #10 ou 2

mm de abertura) do solo seco a ambiente (ver figura 24.a), sendo este antes

destorroado, separando aquelas partículas que ficaram retidas na peneira e ar-

mazenando o material restante em um recipiente hermético. Posteriormente, as

partículas retidas foram novamente destorroadas utilizando um compactador

manual de madeira com uma massa de 3,6 kg e uma altura de queda entre 30

cm – 50 cm (ver figura 24.b). Após esta etapa o solo foi novamente peneirado e

o material retido descartado.

a) b)

Figura 24. Procedimento de preparação do solo no laboratório: a) Peneiramento; b)

Destorroamento

Na tabela 6 se detalham as quantidades necessárias para cada amostra

de solo segundo os ensaios delineados. Cada amostra foi obtida utilizando o

procedimento de quarteamento prévio à realização dos ensaios de caracteriza-

ção, compactação e moldagem dos CPs, destacando que estes dados estão

organizados segundo a mistura a serem utilizadas no estudo por tipo de CA.

Tabela 6. Total de amostras de solo preparadas segundo o tipo de ensaio.

Tipo de

AmostraObjetivo

Massa

(kg)

No. de

AmostrasTotal (kg)

Solo Puro

Caracterização 2 1

39,5Ensaio de compactação 2,5 5

Moldagem dos CPs 2,5 10

Mistura

Solo/CA10%

Ensaio de compactação 2,25 533,75

Moldagem dos CPs 2,25 10

Mistura

Solo/CA20%

Ensaio de compactação 2,0 530

Moldagem dos CPs 2,0 10

Fonte: Autor

3.3 Caracterização dos Solos Escolhidos

A tabela 7 apresenta de forma resumida as normas técnicas, estabeleci-

das pela ABNT, utilizadas para os ensaios de caracterização das amostras de

solo empregadas ao longo deste estudo. As amostras dos solos granulítico e

de formação barreiras foram preparadas após da coleta em campo e o proces-

so de secagem no laboratório como especificado previamente nas quantidades

especificadas e com a devida homogenização do solo visando a obtenção de

resultados representativos para cada solo.

Tabela 7. Detalhes das normas ABNT utilizadas nos ensaios de caracterização física.

Norma Descrição do Ensaio

NBR 6457:2016Amostras de solos – preparação para en-

saios de compactação e caracterização

NBR 6508:1984 Determinação da massa específica dosgrãos de solos que passam na peneira de4,8 mm (de acordo com a ABNT-NBR5734), por meio de picnômetro, atravésda realização de, pelo menos, dois ensai-

47

48

os.

NBR 7181:1988

Método para análise granulométrica desolos, realizada por peneiramento ou porcombinação de sedimentação e peneira-mento.

NBR 6459:2016Método para a determinação do limite deliquidez dos solos.

NBR 7180:2016Método para a determinação do limite deplasticidade e para o cálculo do índice deplasticidade dos solos.

NBR 6502:1995

Define os termos relativos aos materiaisda crosta terrestre, rochas e solos, parafins de engenharia geotécnica de funda-ções e obras de terra.

Fonte: Normas ABNT, 2016

Apresenta-se na tabela 8 a síntese dos resultados obtidos através dos

ensaios de caracterização realizados com as amostras de solo utilizadas na

execução dos ensaios. Além disso, na sequência se apresentam as figuras de

curva granulométrica, reta de fluxo e localização na carta de plasticidade cor-

respondente a cada solo.

Tabela 8. Resumo das características físicas obtidas para os solos escolhidos.

SoloGranulometria (%)

Consistência

(%)ρs

(g/cm3)

Classificação

Ped. Areia Silte Arg. WL WP IP SUCS ABNT

Granulito 3 26 15 56 90 48 42 2,818 MH

Argila-areno silto-

sa com vestígios

de pedregulho.

Barreiras 1 77 7 15 23 18 5 2,716SM/

SC

Areia argilo-siltosa

com vestígios de

pedregulho.

Fonte: Autor

Observa-se, no solo granulítico uma fração argilosa (menor que 0,002

mm) de 56% e um fração siltosa (0,06 mm – 0,002 mm) de 15%, resultando em

um total de 71% de partículas consideradas como finas, sendo a predominân-

cia neste tipo de solo da fração argilosa. Para o caso dosolo da formação bar -

reiras a sua predominância é exercida pela fração arenosa, com 77% de consti-

tuição, sendo que o teor de finos é de somente 22%. Consequentemente se

evidencia uma notável diferença entre as características e a formação dos so-

los escolhidos, o que foi feito visando a obtenção de resultados de permeabili-

dade e a avaliação da performance das adições orgânicas em solos de dife-

rentes características geotécnicas. Ilustra-se, nas figuras 25 e 26 a curva gra-

nulométrica obtida para cada solo.

Figura 25. Curva característica da análise granulométrica do solo granulito.

Figura 26. Curva característica da análise granulométrica do solo barreiras.

Ressalta-se, nos gráficos 25 e 26 a mudança significativa da matriz gra-

nular entre os solos, como dito anteriormente As figuras 27 e 28 apresentam a

reta de fluxo obtida durante a realização do ensaio do WL para cada solo. O

solo granulítico apresenta valores dos limites de consistência em torno de: WP

49

50

de 48%, WL de 90% e o IP de 42%, sendo considerado um solo de alta plastici-

dade. Enquanto que para o solo de formação barreiras os valores obtidos fo-

ram: WP de 18%, WL 23% e o IP de 5%, sendo considerado como um solo

pouco plástico segundo a classificação qualitativa de Burmister (1949).

Figura 27. Recta de fluxo obtida durante o ensaio de obtenção do WL para o solo gra-

nulítico.

Figura 28. Reta de fluxo obtida durante o ensaio de obtenção do WL para o solo bar-

reiras.

Observa-se mediante os resultados obtidos nos ensaios dos limites de

consistência a confirmação na diferença dos solos escolhidos neste estudo,

sendo que um conta com pouca presença de finos (formação barreiras) e outro

(o solo granulítico) com uma alta plasticidade derivada do alto teor de finos na

sua matriz granular.

De acordo com os critérios adotados pelo sistema unificado de classifi-

cação de solos (SUCS) os solos analisados se apresentam dentro da carta de

plasticidade de Casagrande (1932) classificados da seguinte forma: solo granu-

lítico - MH e solo de formação barreiras - SM/SC.

Figura 29. Carta de plasticidade de Casagrande para o solo granulito.

Figura 30. Carta de plasticidade de Casagrande para o solo barreiras.

3.4 Caracterização do material orgânico: Carvão Ativado

A norma ABNT-NBR 7181:1988 foi empregada para realizar a caracteri-

zação granulométrica mediante peneiramento dos 3 tipos de CA utilizados nes-

te trabalho. No caso específico das amostras de CAG e CAM, que passarem

51

CL-ML

CL

ML

CH

OH MH

CH

OH

MH

CL

ML

CL-ML

52

pelo processo de redução de textura, o ensaio foi realizado antes e após moa-

gem (ver figura 31).

Figura 31. Pesagem do CA após do ensaio de peneiramento.

Além disso, determinou-se a SE para cada tipo de CA utilizando o dispo-

sitivo Blaine-Test (marca ACMEL; modelo BSA1) segundo a norma ASTM C

204 – 07 sendo o equipamento disponibilizado pelo LEDMA (ver figura 32).

Este dispositivo é utilizado para determinar a SE de produtos cimentíceos e

materiais pulverizados através da permeabilidade ao ar, medindo o tempo

transcorrido que toma a uma quantidade de ar especifica passar pela da amos-

tra inserida. A determinação da SE esta regulamentada segundo a norma UNE-

EN 196-6:2010 que estabelece a determinação da finura através de métodos

de ensaio no cimento. Uma amostra de 2,60 g aproximadamente foi necessária

para a execução deste ensaio, fornecendo resultados ajustados a uma tempe-

ratura de 20o C. Destaca-se que as amostras de CA ensaiadas foram aquelas

resultantes do processo experimental de moagem, descrito anteriormente.

Figura 32. Aparelho utilizado para determinar a superfície especifica do CA.

Para determinar a densidade real das partículas ou densidade dos grãos

do CAG e CAM foi empregado o picnômetro a gás hélio (Accupyc II 1340) dis-

ponibilizado pelo LEDMA (ver figura 33). Este aparelho utiliza o método do des-

locamento de gás (hélio) para calcular o volume de forma exata após leituras

feitas em cinco ciclos, obtendo valor médio resultante. Para o CAP a utilização

do picnômetro a gás hélio se mostrou impraticável, sendo a densidade dos

grãos foi determinada pelo procedimento geotécnico tradicional segundo a nor-

ma ABNT-NBR 6508:1984.

Figura 33. Aparelho utilizado para determinar a densidade do CAG e CAM.

As figuras 34, 35 e 36 apresentam as curvas granulométricas obtidas

para as amostras de carvão ativado. Para as amostras que passaram por pro-

cessos de redução da textura, são apresentadas as curvas granulométricas an-

tes e após moagem, destacando a efetividade do procedimento adotado.

53

54

Figura 34. Curva característica da análise granulométrica do CAP.

Observa-se na figura 34 que as partículas sólidas do CAP são inferiores

a 0,25 mm, sendo que 75% destas se encontram localizadas na faixa de 0,149

– 0,074 mm e 20% apresentam tamanho granulométrico inferior a 0,074 mm.

Segundo a classificação granulométrica da ABNT (NBR 6502:1995) este mate-

rial assemelha a uma textura de um solo areno-silto/argiloso, assemelhando-se

às características do solo granulítico.

a) b)Figura 35. Curva característica da análise granulométrica do CAG: a) antes do proces-

so de moagem b) após do processo de moagem.

Observa-se na figura 35 a redução obtida através do procedimento ex-

perimental de moagem, descrito previamente. O CAG que inicialmente possuía

uma conformação granulométrica entre 5,66 mm – 2,38 mm, assemelhando as

características texturais dos pedregulhos(acima de 2,0 mm), após aplicado o

procedimento de moagem, teve as suas partículas de reduzidas significativa-

mente de seu tamanho, passando mais do 90% das partículas na amostra pela

peneira #8 (2,38 mm). Além disso, obteve-se 10% aproximadamente de partí-

culas consideradas como finas (Ø < 0,075 mm).

Finalmente, na tabela 9 se apresentam os resultados obtidos da massa

específica dos grãos e da superfície especifica utilizando os aparelhos descri-

tos nesta seção para o CAP e o CAG após do processo de moagem. Ressal-

tando que o aparelho na figura 32 se destina para a determinação do parâme-

tro da superfície específica em produtos derivados do cimento.

Tabela 9. Resultados obtidos nos ensaios de caracterização do CA.

Material Massa Especifica dos grãos (ρC) g/cm3 SE cm2/g

CAG 1,77 2.516

CAP 1,71 7.252

Fonte: Autor

3.5 Ensaios de Compactação

Os ensaios de compactação foram realizados segundo a norma ABNT-

NBR 7182:86 com dois tipos de energia de compactação: Proctor intermediário

(EPI) e Proctor modificado (EPM), para o solo granulito puro, enquanto que a

energia de compactação utilizada para as amostras de solo misturadas com o

CAG e CAP foi a EPM somente. A utilização de dois tipos de energia nas

amostras de granulito puro foram estabelecidos para verificar a influência do

grau de compactação no solo e como as suas interações com líquidos de dife-

rente polaridade são afetadas, servindo de referência e assim serem reproduzi-

dos em campo como as barreiras minerais utilizadas na contenção dos hidro-

carbonetos.

3.5 Ensaios de permeabilidade: Delineamento experimental

O fluxograma apresentado na figura 36 ilustra o delineamento experi-

mental adotado para a realização dos ensaios de permeabilidade do presente

estudo. Os ensaios descritos e a quantidade de CPs preparados segundo este

fluxograma se apresentam por fluido permeante, considerando que por mistura

foram preparados 5 CPs.

55

56

Figura 36. Esquema descritivo das amostras preparadas para os ensaios de permeabi-

lidade.

A norma ABNT-NBR 14545:2000 foi empregada para realização dos en-

saios de permeabilidade, cujas amostras deformadas foram compactadas na

umidade ótima e energias de compactação descrita previamente dentro de ci-

lindros de PVC ranhurados, os quais foram utilizados como permeâmetros de

parede rígida. Estes cilindros possuíam um diâmetro externo nominal médio de

11 cm, diâmetro interno nominal médio de 9,7 cm e uma altura nominal média

de 16,5 cm aproximadamente (ver figura 37). Os CPs foram compactados den-

tro dos cilindros de PVC com uma altura em torno de 13 cm, sendo o restante

do volume dos cilindros de PVC empregado para a confecção dos drenos de

base e de topo. O volume final das amostras compactadas foi similar ao das

amostras compactadas no cilindro pequeno padrão utilizado no ensaio de com-

pactação.

Figura 37. Cilindros de PVC ranhurados utilizados como permeâmetro de parede rígi-

da.

As ranhuras na parte interna da parede dos cilindros de PVC utilizados

foram feitas para evitar a ocorrência de fluxos preferenciais no contato das pa-

redes internas do material e a amostra compactada. Utilizou-se, na montagem

do permeâmetro, um suporte que consistia de 4 hastes metálicas e 2 tampas

(caps), facilitando o processo de saturação das amostras, como se observa na

figura 38. Após a obtenção de cada CP no laboratório de solos da UCSAL, as

mesmas eram devidamente embaladas e transportadas para o GEOAMB.

Figura 38. Estrutura de permeâmetro com o CP prévio ao processo de saturação.

O fluido percolante foi introduzido pela base do CP, criando um fluxo as-

cendente através de uma saída tubular de ¼ ’’. Além disto, os CPs foram previ-

amente preenchidos com 100 – 150 ml de fluido permeante após a montagem

pela parte superior do cilindro, diminuindo o tempo de saturação das amostras,

como se observa na figura 39.a. Na figura 39.b se observa o processo de satu-

ração prévio à execução do ensaio de permeabilidade.

57

58

a) b)

Figura 39. Montagem de CP dentro do permeâmetro: a) Preenchimento do permeâme-

tro; b) Processo de saturação com o fluido permeante.

Durante o processo da montagem dos CPs foi verificada a colocação de

o-ring entre ambas tampas e o cilindro, objetivando vedar a conexão e evitar o

vazamento do permeante como ilustrado na figura 40. Para a confecção do fil-

tro, uma camada de geotêxtil não tecido foi colocada em contato com a amos-

tra de ambos lados e sobre esta foi colocada uma camada de pedrisco (Øm = 3

mm) servindo como um filtro e como uma camada de distribuição dos fluxos in-

fluente e efluente (ver figura 41). Destaca-se, a colocação de uma manta geo-

têxtil adicional após a camada de pedrisco para evitar a passagem de material

e impedir a ocorrência de danos nos o-rings.

a) b)

Figura 40. Colocação do o-ring dentro da tampa do permeâmetro: a) Tampa sem o-

ring; b) Tampa com o-ring

Uma vez finalizada a montagem dos CPs, foi dado início ao processo de

saturação. Este processo levou entre 1 e 10 dias, dependendo da energia de

compactação e da mistura solo/CA, lembrando que, por se tratar deste tipo de

permeâmetro (parede rígida), não é possível realizar a saturação por contra-

pressão, e, portanto, o método adotado foi a saturação por percolação. O pro-

cesso de saturação foi finalizado quando o fluido apresentou uma vazão contí-

nua pelo do conector de ¼’’ localizado na tampa superior.

a) b) c)

Figura 41. Procedimento de colocação do filtro de uniformidade do fluxo: a) Geotêxtil

em contato com CP; b) Pedrisco utilizado segundo o fluido permeante; c) Colocação

de geotêxtil entre o pedrisco e a tampa prévio ao fechamento.

Para a realização dos ensaios, buretas graduadas foram empregadas

para a aplicação dos fluidos influentes na base da amostra, sendo que, após o

início do ensaio, leituras eram feitas de tempo decorrido, temperatura e volume

percolado. Como as cotas da saída de água do CP e das diferentes leituras na

proveta são conhecidas, a leitura do volume percolado pode ser usada para,

em conjunto com o comprimento do CP, calcular-se o gradiente hidráulico em

cada instante. As figuras 42.a, b e c ilustram a execução do ensaio.

59

Oleo diesel

Água deionizada

60

a) b)

c)

Figura 42. Processo de execução do ensaio de permeabilidade: a) Cinco CPs por flui-

do permeante, sendo na parte superior aqueles para o óleo diesel e na inferior para a

água deionizada; b) Reservatórios com cada um dos fluidos percolantes; c) Observa-

ção das leituras nas buretas graduadas estabelecidas para cada fluido permeantes.

Finalizado o ensaio, o CP foi pesado e extraído do permeâmetro, confor-

me ilustrado na figura 43. Amostras foram então coletadas para a determinação

do conteúdo de líquido, procurando-se diferenciar as umidades volumétricas de

água e diesel com emprego de procedimento descrito na sequência.

a) b)

Figura 43. Passos seguidos após da finalização do ensaio de permeabilidade: a) Pesa-

gem do CP saturado; b) Procedimento de extração do CP

Para a determinação dos conteúdos de água e diesel dos CPS, ao final

do ensaio estes são coletadas 6 amostras de solo, as quais são colocadas em

cápsulas metálicas ou cadinhos de cerâmica segundo a estufa de destino (ver

figura 44). No caso específico dos CP ensaiados com a água, as 6 amostras fo-

ram colocadas em capsulas metálicas, com a massa previamente conhecida, e

introduzidas na estufa a 100 ºC por 24 horas. Para dos CPs ensaiados com o

óleo diesel as 6 amostras foram colocadas dentro de cadinhos e introduzidas

na estufa a 70 ºC por 48 horas (limitação da temperatura devido à possibilidade

de volatilização dos compostos presentes no fluido e na matéria orgânica do

solo). Após a primeira secagem, cujos dados foram utilizados para o cálculo da

umidade final do CP à água, estes cadinhos foram introduzidos na mufla a 600

ºC por 120 minutos.

a) b) c)

Figura 44. Amostragem do CP utilizada na medição do grau de saturação: a) pesagem

da amostra; b) colocação na estufa designada; c) Forno mufla para as amostras satu-

radas com óleo diesel.

Para cada um dos passos descritos anteriormente, foram obtidas as

massas das amostras ensaiadas antes e depois de cada secagem. No caso es-

pecífico das amostradas saturadas com o óleo diesel, na secagem feita na mu-

fla são volatilizados os compostos orgânicos do diesel e da matéria orgânica do

solo, de foma que a massa seca final é menor que a massa de sólidos inicial

dos CPs. Para a correção desta distorção, o conteúdo de Sólidos Totais Volá-

teis (STV) de amostas naturais foi determinado e os valores de umidade gravi-

métrica final de água e diesel das amostras foram calculados conforme apre-

sentados nas equações apresentadas na sequência.

61

62

3.5.1 Correção do grau de saturação ao óleo diesel

O procedimento adotado foi através da preparação de amostras de solo

puro e com CA segundo cada amostra preparada nos ensaios realizados, sen-

do colocadas dentro de 6 cadinhos de cerâmica. Cada cadinho foi inserido na

estufa a 70 oC por um período de 48 horas (umidade higroscópica) e então à

estufa tipo mufla por duas horas a 600 oC (valor de STV), seguindo o mesmo

procedimento adotado para os CPs ensaiados com o óleo diesel como líquido

permeante. Durante este processo, registrou-se a massa inicial e final de cada

amostra. A partir dos procedimentos descritos foram calculados os índices físi-

cos para cada CP, antes e após a execução dos ensaios, tais como: peso es-

pecífico seco (gd), índice de vazios (e), grau de saturação (Sr), teor de umidade

(w) e porosidade (n). Na determinação da umidade final correspondente à água

foi empregada a equação 12.

wh20=M i−M f

Mmufla* (12)

Onde wh20 é a umidade em relação ao teor do solo (%), M i é a massa da amos-

tra saturada após do ensaio de permeabilidade (g), M f é a massa da amostra

seca na estufa a 70 oC (g) e Mmufla* é a massa da amostra seca na mufla a 600

oC (g), corrigida pelo valor de STV, como dito previamente, através da equação

13.

Mmufla*=Mmufla⋅(1+

STV100

)

(13)

Onde Mmufla é a massa da amostra ensaiada após da secagem na mufla a 600oC (g) para a determinação do teor de diesel das amostras e STV(%) é o conte-

údo de sólidos totais voláteis natural das amostras.

Na determinação do conteúdo gravimétrico correspondente ao óleo diesel, wd,

empregou-se a equação 14.

wd=M f −Mmufla

*

Mmufla*

(14)

Onde Mf é a massa da amostra seca na estufa a 70 oC (g)

Para determinar o conteúdo gravimétrico total de líquidos foi empregada a

equação 15.

w total=M i−Mmufla

*

Mmufla*

(15)

Onde wtotal é a umidade total da fase líquida retida no solo (%) e Mi é a massa

da amostra saturada após do ensaio de permeabilidade (g)

Outro aspecto a ser destacado é que, para o cálculo dos índices físicos

do solo concernente as amostras com a adição de carvão, a densidade das

partículas sólidas, necessária para o cálculo de todos os outros índices físicos

do solo, teve de ser calculada conforme a equação seguinte:

S=M s

M ssss

+M scsc

(16)

Onde ρS é a massa específica das partículas ou fase sólida (g/cm3), MS é a

massa seca total da amostra (g), MSS é a massa seca das partículas de solo

(g), MSC é a massa seca das partículas do CA (g), ρSS é a massa específica das

partículas do solo puro (g/cm3) e ρSC é a massa específica das partículas do CA

(g/cm3).

Finalmente, o cálculo da permeabilidade de cada CP foi efetuado com o

emprego da equação 17, equação clássica empregada no cálculo da permeabi-

lidade em ensaios a carga variável, ressaltando que os valores foram corrigidos

à temperatura de 20 oC sendo multiplicado pelo fator de relação entre a viscosi-

dade da água na temperatura de ensaio e a viscosidade d'água a 20 oC obtido

na norma referida previamente.

k=2,3⋅aL

A⋅Δt×log

h0

h1

(17)

Onde k é o coeficiente de permeabilidade (cm/s), a é a área interna da bureta

(neste caso de vidro) (cm2), A é a seção transversal da amostra (cm2), L é a al-

tura inicial do CP (cm), h0 é a carga hidráulica para t0 (cm), h1 é a carga hi-

dráulica para t1 (cm) e Δt é o intervalo de tempo para o permeante passar de h0

para h1 (s).

63

64

Após a obtenção de pelo menos 5 leituras nas condições de fluxo per-

manente os ensaios foram considerados finalizados e o valor de k (cm/s) foi

adotado como a média geométrica dos valores obtidos utilizando a equação 17.

4. RESULTADOS PRELIMINARES

4.1 Ensaio de Compactação

A tabela 10 sintetiza os resultados dos ensaios de compactação realiza-

dos nas amostras de solo/CA utilizadas no estudo. Os valores de massa espe-

cífica dos grãos (ρs) foram obtidos a partir da equação (16) junto com as propri-

edades dos materiais descritas nas tabelas 8 e 9.

Tabela 10. Resultados dos ensaios de compactação feito para o solo granulítico.

Tipo de Amostras gdmax (kN/m3) wot (%) ρs (g/cm3)

Granulito Puro 15,15 24,79 2,818

Granulito Puro 15,49 22,61 2,818

Granulito/CAG10% 14,39 22,31 2,660

Granulito/CAG20% 13,87 24,71 2,519

Granulito/CAP10% 14,24 26,04 2,646

Granulito/CAP20% 13,38 29,46 2,494

Fonte: Autor

Como esperado, há uma redução nos valores de ρs quando o teor de

CA é incrementado o que pode ser atribuído à natureza orgânica do carvão

(materiais orgânicos normalmente apresentam menores valores de peso espe-

cífico das partículas sólidas). Nas figuras 45, 46 e 47 se apresentam as curvas

de compactação obtidas para cada misturade solo utilizada nos ensaios de per-

meabilidade.

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 281,44

1,49

1,54

1,59

Umidade (%)

Mas

sa E

sp. S

eca

(g/c

m3)

17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 291,42

1,47

1,52

Umidade (%)

Mas

sa E

sp. S

eca

(g/c

m3)

a) b)

Figura 45. Curvas de compactação obtidas nos ensaios de solo granulítico puro: a)

EPI; b) EPM

65

66

Observa-se nas figuras 46.a e 46.b que, como esperado, o valor máximo

do peso específico do solo (gdmax) aumentou quando uma maior energia de

compactação foi empregada, assim como se observa uma diminuição da umi-

dade ótima (wot). Contudo, as diferenças observadas nos valores de gdmax não

são apreciáveis (2,3% aprox.) quando comparadas com o aumento da energia

empregada (de aproximadamente 50% entre EPI e EPM).

Nas figuras 47.a e 47.b se observa uma diminuição de 4% aproximada-

mente no gdmax com a adição do carvão ativado granular, ainda que a energia

de compactação (EPM) tenha sido mantida para ambas amostras. Vale ressal-

tar que o incremento do teor de CAG (carvão ativado granular moído posterior-

mente) interfere neste parâmetro, além de sua textura, devido à redução de

massa específica das partículas sólidas. Por outro lado, há um incremento no

valor do wot com a adição de carvão, resultado de sua maior superfície específi-

ca em comparação ao solo.

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 311,29

1,34

1,39

1,44

Umidade (%)

Mas

sa E

sp. s

eca

(g/c

m3)

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 271,36

1,381,4

1,421,441,461,48

Umidade (%)

Mas

sa E

sp. s

eca

(g/c

m3)

a) b)

Figura 46. Curvas de compactação obtidas nos ensaios para amostras solo

regolito/CAG: a) 10% de adição de CAG; b) 20% de adição de CAG

Nas figuras 48.a e 48.b se observa uma redução do gdmax em mais de 6%

com o mesmo grau de compactação (EPM) e um aumento de quase 7% no va-

lor de wot, quando comparam-se as amostras com adição de CAP de 20% com

as amostras de granulito puro. Esta mistura apresenta os valores mais diferen-

ciados das misturas feitos com solo regolito puro, o que é consistente com o

menor peso específico das partículas sólidas (ver tabela 9) e com o fato de que

o CAP possui uma superfície específica maior que o solo o que reflete direta-

mente em uma maior necessidade de água para se atingir o valor de umidade

ótima.

24 25 26 27 28 29 30 31 32 331,24

1,29

1,34

1,39

Umidade (%)

Mas

sa E

sp. s

eca

(g/c

m3)

19202122232425262728293031321,351,371,391,411,431,451,47

Umidade (%)

Mas

sa E

sp. s

eca

(g/c

m3)

a) b)

Figura 47. Curvas de Compactação obtidas nos ensaios das amostras de solo

regolito/CAP: a) 10% de adição de CAP b) 20% de adição de CAP

Estabelece-se, segundo os resultados dos ensaios de compactação fei-

tos, uma relação direta entre o teor de material orgânico adicionado

(CAG/CAP) e os indicies físicos do solo. Consequentemente, quando menor

seja a massa específica dos grãos, menor será o peso específico seco, en-

quanto que quanto maior a superfície especifica maior será o teor de umidade

ótima.

4.2 Ensaios de Permeabilidade

A tabela 11 apresenta os resultados de coeficiente de permeabilidade obtidos

por grupo de amostras. Os valores de k apresentados foram calculados utili -

zando a media geométrica dos valores obtidos em cada ensaio executado. São

presentados também os valores mínimos e máximos dos coeficientes de per-

meabilidade para cada amostra ensaiada e o número de CPs (n) considerados

válidos para cada grupo de amostras.

Para que todos os resultados de permeabilidade obtidos fossem consi-

derados como válidos, a razão entre o valor máximo e o valor mínimo dos 5

CPs deveria ser inferior a 10. Caso contrário, o valor mais discrepante deveria

ser descartado. Destaca-se ainda que no mínimo 4 ensaios válidos foram re-

queridos para se calcular o valor médio de cada conjunto de ensaios.

67

68

Tabela 11. Resumo dos valores de k obtidos nas amostras ensaiadas.

Tipo de Amostras Energia/Fluido nValor Médio

(cm/s)Valor Min.

(cm/s)Valor Max.

(cm/s)

Granulito Puro EPI/Diesel 4 1,60 E-04 5,07 E-05 3,34 E-04

Granulito Puro EPI/Água 4 6,70 E-07 3,39 E-07 2,14 E-06

Granulito Puro EPM/Diesel 5 2,92 E-05 1,32 E-05 4,95 E-05

Granulito Puro EPM/Água 5 9,89 E-07 7,70 E-07 1,43 E-06

Granulito/CAG10% EPM/Diesel 5 1,86 E-05 4,59 E-06 3,65 E-05

Granulito/CAG10% EPM/Água 5 7,55 E-06 4,84 E-06 1,45 E-05

Granulito/CAG20% EPM/Diesel 4 1,80 E-05 7,60 E-06 5,75 E-05

Granulito/CAG20% EPM/Água 5 1,22 E-05 1,02 E-05 1,80 E-05

Granulito/CAP10% EPM/Diesel 4 3,80 E-07 2,56 E-07 5,97 E-07

Granulito/CAP10% EPM/Água 4 2,01 E-06 1,72 E-06 2,94 E-06

Granulito/CAP20% EPM/Diesel 3 5,23 E-08 1,12 E-08 1,56 E-07

Fonte: Autor

As figuras 48 a 51 apresentam os gráficos em escala semi-logarítmica

dos resultados de k obtidos nas amostras segundo o fluido percolante, teor de

material orgânico adicionado e o tipo de CA utilizado em cada amostra. Além

disso, é apresentado um ajuste exponencial dos dados experimentais com os

valores das variáveis obtidos pelo método dos mínimos quadrados.

Ressalta-se, segundo o apresentado nas figuras 48 e 49, o aumento nos

valores de k obtidos com o aumento no teor de CA para as amostras ensaia-

das com água deionizada, em comparação com as amostras de solo granulítico

puro. Este fenômeno pode ser atribuído à pouca afinidade do CA com a água,

sendo considerado um adsorvente hidrofóbico devido a sua superfície micropo-

rosa estruturada por anéis aromáticos condensados nos cristais de grafite

(Snoeyink e Weber, 1967). Além disso, os resultados preliminares obtidos indi-

cam que as misturas com CAG apresentaram menor retenção d’água devido a

SE menor que possui em comparação do CAP.

Figura 48. Gráfico ilustrativo da influência do teor de CAG no coeficiente de permeabi-

lidade referente à água.

Figura 49. Gráfico ilustrativo da influência do teor de CAP no coeficiente de permeabili-

dade referente à água.

Nas figuras 50 e 51 se apresentam os valores do coeficiente de permea-

bilidade obtidos nas amostras ensaiadas com o óleo diesel comercial. Neste

caso se observa uma redução progressiva em cada amostra, excetuando a

amostra CAG20% que apresentou um comportamento contrário ao esperado

inicialmente. Uma possível causa para este fenômeno pode ser atribuído à dife-

rença granulométrica entre as partículas sólidas do CAG e o solo granulítico,

possibilitando uma passagem mais livre do permeante e diminuindo a capaci-

dade de adsorção do CA pela heterogeneidade da amostra final.

69

70

Figura 50. Gráfico ilustrativo da influência do teor de CAG no valor de k referente ao

óleo diesel.

Figura 51. Gráfico ilustrativo da influência do teor de CAP no valor de k referente ao

óleo diesel.

Conforme se pode observar, as adições de CAG, apresentaram uma re-

dução menor nos valores de permeabilidade com o solo tanto a água quanto ao

diesel quando comparado com o CAP, validando o principio da influência da su-

perfície específica nos valores de permeabilidade, como visto na literatura.

Contudo, foram obtidos resultados favoráveis na diminuição no valor de k ao

fluido hidrocarboneto, em ambos casos de adição de CA. Como se observa na

figura 51, as adições de CAP (carvão ativado em pó proveniente da casca do

coco), apresentaram as melhores performance sendo diferenciada aquela adi-

ção com um 20%. Isto evidencia, uma vez mais, o efeito que a redução da tex-

tura (aumento da superfície especifica) possui nas interações das partículas

sólidas com o fluido orgânico, como exposto no capítulo 2 deste trabalho.

Finalmente, a grande redução nos valores de k pelas adições de CAP

evidencia também o CA como sendo um adsorvente hidrofóbico, atraindo flui-

dos não-polares como o óleo diesel. Além disso o CAP tem custo inferior ao

CAG convencional. Os valores de k obtidos, (da ordem de k = 1 x 10 -8 cm/s),

são considerados como excepcionais em termos de permeabilidade a líquidos

orgânicos, sendo dificilmente alcançados com o uso de barreiras minerais con-

vencionais.

4.3 Índices Físicos das Amostras: Inicias e Finais

As condições físicas dos solos são representados mediante valores de-

signados como os seus índices físicos, obtidos através da análise experimental

dentro do laboratório geotécnico. Estes valores e a sua interpretação adequada

permitem identificar e prever o comportamento hidromecânico do solo em estu-

do. Além disso, a obtenção dos valores dos índices físicos são influenciados

pelo tamanho, forma e composição química das partículas sólidas (Das, 2010).

Embora o solo seja constituído de forma trifásica (fases sólida, líquida e

gasosa), no presente estudo o solo ensaiado com o permeante de óleo diesel é

considerado como tetra-fásico (fases sólida, líquida - água e óleo diesel, além

da fase gasosa). Nesta seção são apresentados os valores dos índices físicos

obtidos para cada amostra realizada antes e depois de cada ensaio de permea-

bilidade. Os valores foram obtidos empregando a media geométrica dos CPs

considerados como aceitáveis segundo o critério adotado inicialmente.

4.3.1 Amostras Ensaiadas com Óleo Diesel

Na tabela 12 se apresentam os resultados de umidade higroscópica e

STV obtidos para cada amostra deformada de solo/CA, obtidos conforme des-

crito anteriormente.

Tabela 12. Resumo das porcentagens de umidade higroscópica e STV das amostras.

Amostra Umidade Higroscópica (%) STV (%)

Granulito Puro 5,17 11,81

Granulito/CAG10 4,65 16,85

Granulito/CAG20 5,59 19,21

Granulito/CAP10 5,06 14,60

Granulito/CAP20 5,21 16,02

Fonte: Autor

71

72

Conforme esperado, amostras com adição de carvão ativado apresentaram

maiores valores de STV do que amostras de solo puro, embora o valor encontrado

para o STV do solo residual do granulito Gnaisse também possa ser considerado

como elevado. Estes altos valores de STV para o caso do solo puro devem estar asso-

ciados à presença de matéria orgânica superficial, por se tratarem de amostras coleta-

das a baixas profundidades.Estes valores foram utilizados, conforme descrito an-

teriormente, para a obtenção dos indicies físicos finais para as amostras ensai-

adas com o óleo diesel, como dito previamente. Na tabela 13 se apresenta o

resumo dos teores de umidade das amostras. Nesta tabela, w i corresponde à

umidade inicial da amostra referente à água, wd corresponde à umidade da

amostra referente ao diesel ewtotalcorresponde a umidade total após a finaliza-

ção do ensaio de permeabilidade. Apresentam-se ainda os valores de massa

inicial (Mi) antes da execução do ensaio e a massa final (Mf), sendo esta cor-

respondente ao CP saturado após da realização do ensaio de permeabilidade

com o óleo diesel como fluido percolante.

Tabela 13. Resumo dos teores de umidade antes e após do ensaio com óleo diesel.

Amostra Mi (g) Mf (g) ∆M (g) wi wH20 (%) wd(%) wtotal(%)

Granulito Puro

(EPI)

1891,95 1915,94 23,99 24,73 24,73 0,34 25,07

Granulito Puro

(EPM)

1920,44 1947,59 27,15 22,83 22,83 0,74 23,57

Granulito/CAG10 1758,71 1856,43 97,72 22,43 22,43 1,91 24,21

Granulito/CAG20 1714,53 1801,94 87,41 24,66 24,66 0,56 25,22

Granulito/CAP10 1778,61 1867,72 89,11 26,08 26,08 3,98 30,06

Granulito/CAP20 N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D

Fonte: Autor

Observa-se na tabela 13 que o maior aumento de massa foi obtida na

amostra de solo granulítico com a adição de CAG a 10%, com um aumento de

5,56% aproximadamente, embora não apresente os maiores teores de umida-

de entre as amostras analisadas. Em contraste a amostra de solo granulítico

com o mesmo CAG, a uma proporção de 20%, apresentou uma massa inferior

e um teor de wtotal superior. Contudo, uma maior retenção de óleo diesel foi obti-

da com o CAG a 10%, sugerindo que o uso do CAG em teores acima do 20%

não apresentariam resultados satisfatórios na contenção de líquidos hidrocar-

bonetos. Este fenômeno pode ser atribuído ao aumento da heterogeneidade na

mistura devido à diferença granulométrica entre as partículas sólidos.

Consequentemente, observa-se que a maior retenção de conteúdo de

óleo diesel foi obtido na amostra de solo granulítico com CAP a 10%, sendo

congruente com a previsão inicial estabelecida devido aos resultados obtidos

do coeficiente de permeabilidade na ordem de 1 x 10 -7 cm/s. Um aumento de

mais de 2% na retenção de óleo diesel é observada com a utilização do CAP a

10% quando comparado com o CAG a 10%, constatando a influência do valor

da SE na interação entre solo/material orgânico/fluido.

Finalmente, observou-se que as amostras que apresentaram menor re-

tenção de óleo diesel foram as de solo granulítico puros, sendo congruente

com o esperado segundo a literatura, e maior ainda com a diferenciação da

energia de compactação entre as amostras de solo puro, validando que para o

solo granulítico esperasse uma melhor performance de redução dos valores de

permeabilidade com EPM. Deste modo, com base aos dados obtidos na tabela

12 e 13 os índices físicos são apresentados na tabela 14 para cada amostra

sob ao permeante óleo diesel.

Tabela 14. Resumo dos valores para cada índice físico obtido nas amostras.

Amostra γd (kN/m3) Grau de Compac. (%) Sri (%) Srf (%) e n

Granulito Puro

(EPI)14,92 100,39 81,72 83,11 0,85 0,46

Granulito Puro

(EPM)16,30 101,05 80,38 83,03 0,80 0,44

Granulito/CAG10 15,00 100,24 70,68 81,22 0,84 0,46

Granulito/CAG20 14,15 100,25 76,54 82,82 0,81 0,45

Granulito/CAP10 14,02 100,34 80,98 89,09 0,85 0,46

Granulito/CAP20 N/D N/D N/D N/D N/D N/D

Fonte: Autor

Observa-se dos resultados descritos na tabela acima que a amostra de

solo granulítico com CAG a 10% apresentou o maior aumento no grau de satu-

ração (Sr) quando comparada com o resto de amostras. Este aumento foi su-

73

74

perior a 10% para a amostra granulito/CAG10, superando ao obtido na amostra

granulito/CAP10 (8,1%). Enquanto os índices de vazios (e) e a porosidade (n)

foram semelhantes entre as duas amostras, com a diferença do valor de peso

específico seco (γd) que sofreu variação de 1 kN/m3 aproximadamente entre as

duas amostras. Contudo a maior porcentagem de Sr f foi obtida pela amostra

granulito/CAP10 com 89.08%, sugerindo a predominância da influência da mi-

croporosidade intrínseca nos grãos de CAP sendo maior que a do CAG e o

mesmo solo granulito, além de ter uma mistura melhor homogenizada com o

CAP quando comparado com o CAG.

4.3.2 Amostras Ensaiadas com Água Deionizada

O teor de umidade das amostras ensaiadas com água deionizada foram

secadas a uma temperatura de 100 oC, como apresentado no capítulo anterior.

A tabela 15 apresenta as porcentagens dos teores de umidades para cada

amostra e as massas antes e depois da execução do ensaio de permeabilida-

de.

Tabela 15. Resumo dos teores de umidade antes e após do ensaio de permeabilidade.

Amostra Mi (g) Mf (g) ∆M (g) wi (%) wtotal (%)

Granulito Puro (EPI) 1607,84 1668,73 60,89 25,16 29,77

Granulito Puro (EPM) 1882,86 1997,00 114,14 22,75 30,60

Granulito/CAG10 1751,69 1926,28 174,59 22,55 32,66

Granulito/CAG20 1700,43 1807,91 107,48 24,88 32,10

Granulito/CAP10 1782,90 1908,95 126,05 26,12 31,94

Granulito/CAP20 N/D N/D N/D N/D N/D

Fonte: Autor

A amostra que apresentou o maior aumento de massa após da finaliza-

ção do ensaio foi a de solo granulito com CAG a 10%, apresentando também a

maior porcentagem de wtotal com 32,66%, conforme observado na Tabela 15.

Destaca-se, que ambas amostras ensaiadas com CAG resultaram com melhor

retenção d’água que a amostra preparada com CAP a 10%. Também, observa-

se que a despeito da adição do CAG a uma fração maior que 20% no solo gra-

nulito, não haveria retenção de água satisfatória. Consequentemente, com

base aos teores de umidade apresentados na tabela 15, foram calculados os

resultados dos índices físicos na tabela 16.

Tabela 16. Resumo dos valores para cada índice físico obtido nas amostras.

Amostra γd (kN/m3) Grau de Comp. (%) Sri (%) Srf (%) e n

Granulito Puro

(EPI)15,59 100,46 83,25 98,51 0,85 0,46

Granulito Puro

(EPM)15,28 100,54 79,21 100 0,81 0,45

Granulito/CAG10 14,14 100,17 70,96 100 0,85 0,46

Granulito/CAG20 13,63 100,16 77,05 97,53 0,81 0,45

Granulito/CAP10 14,02 100,39 81,19 97,41 0,85 0,46

Granulito/CAP20 N/D N/D N/D N/D N/D N/D

Fonte: Autor

Observa-se que a amostra granulito/CAG10 apresentou um maior incre-

mento na porcentagem do Sr com 29,04%, enquanto que nas demais amostras

este valor variou entre 15% - 21%. Por outro lado, a amostra de solo granulito e

CAP a 10%, apresentou menor retenção entre as amostras compactadas com

EPM, mesmo possuindo os parâmetros de e e n semelhantes, diferenciando-se

no valor de γd. Consequentemente, conclui-se que a amostra que apresentou

melhor performance em relação à água deionizada foi a de granulito/CAG10,

sugerindo que o valor ideal da adição seja menor que 20%. Embora, destaca-

se o valor de Srf de 100% nas amostras de solo granulito puro e com 10% de

adição de CAG na EPM, mostrando que este tipo de solo apresenta uma reten-

ção d’água devido à presença de partículas argilosas ocasionando uma pro-

nunciada interação, mesmo sendo água deionizada, evidenciando a influencia

da constante dielétrica na interação solo/fluido, diminuindo quando o teor de

CA é aumentado.

75

76

5. REFERÊNCIAS

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