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Avaliação de Barreira Capilar em interface não saturada solo- geossintéticos Fernando Henrique Martins Portelinha Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, Brasil, fportelinha@ufscar.br Alexandre Trovato Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, Brasil, alexandretrovatto@gmail.com RESUMO: Barreiras capilares desenvolvidas na interface não saturada solo-geossintéticos tem sido estudadas como alternativa para compor camadas de fechamento de aterros sanitários em substituição as geomembranas. No entanto, este tipo de barreira pode ser quebrada a depender da sucção e do regime de infiltração. Dessa forma, o entendimento de formação de barreiras capilares torna-se indispensável para projetos deste tipo de barreiras. Este trabalho visa contribuir com o entendimento de barreiras capilares por meio da avaliação da formação e manutenção de barreiras capilares em sistemas não saturados de solo-geotêxtil em diferentes condições iniciais de umidade do solo (11%, 14%, 16% e 18%). Para isso, foi desenvolvido um sistema de colunas de infiltração, com monitoramento de teor de umidade ao longo do tempo, que possibilita a verificação do armazenamento de água acima da barreira capilar, sendo este o principal parâmetro de identificação. Resultados mostraram que barreiras se formaram até teores de umidade 2% acima do teor ótimo de compactação, porém não se desenvolveram com umidade inicial de 4% acima. Embora barreiras capilares tenham se iniciado em tempos menores para os menores teores de umidade, o armazenamento de água e tempo de manutanção da barreira é mais prolongado. Para maiores teores de umidade, no caso de barreiras se formarem, estas apresentam quebras com pequenas alturas de armazenamento de água e tempos curtos. PALAVRAS-CHAVE: Barreira capilar, Geotêxteis, Teor de umidade, umedecimento, ensaios de coluna. 1 INTRODUÇÃO O fenômeno de formação de barreiras capilares tem sido sugerido para compor sistemas alternativos de baixo custo para fechamento de aterros sanitários em substituição de geomembranas e argilas compactadas, já que esta pode restringir o avanço da frente de infiltração para o interior do aterro. As barreiras capilares são formadas na interface entre dois materiais de diferentes granulometrias e permeabilidades na condição não saturada (interface argila-areia, por exemplo). Estas barreiras naturais são formadas quando a permeabilidade do material granular se torna menor que a permeabilidade do solo mais fino, para um determinado nível de sucção, promovendo uma restrição temporária da infiltração. A quebra da barreira capilar e posterior retomada do avanço da frente de infiltração é alcançada quando o efeito do umedecimento reduz a sucção a um valor em que as permeabilidades dos materiais se tornam iguais (Stormont e Anderson, 1999; Iryo e Rowe, 2005). Este valor e sucção é dependente do formato da curva de retenção de água do material granular. Stormont e Anderson (1999) relatam que a sucção de quebra de barreira capilar entre as camadas de areia siltosa e pedregulho foram menores que a sucção na interface das camadas de areia siltosa e areia pura. Atualmente, muitos trabalhos mostram que a barreira capilar pode se formar não somente em meios particulados naturais, mas também na matriz de materiais geossintéticos porosos, tais como os geotêxteis, desde que estes apresentem comportamento de retenção de água semelhante aos materiais granulares (Bouazza et al., 2006; Zornberg et al., 2010; McCartney e Zornberg 2010). Zornberg et al. (2010) relatam que a quebra de barreira capilar em interface solo- geotêxtil ocorre após uma altura máxima de armazenamento de água acima da barreira que promove a redução para o valor de sucção de quebra. O estudo de McCartney e Zornberg (2010) mostra que o efeito de secagem pode recompor a barreira capilar a depender do nível de evaporação de água. Portanto, interface solo- geotêxtil apresenta potencial para compor camadas de fechamento de aterro sanitários em substituição ao uso de geomembranas. Porém, para que este sistema de barreira capilar possa ser utilizado com segurança, deve-se conhecer o processo de formação e comportamento de uma barreira capilar a longo prazo, para que esta possa ser projetada para uma determinada aplicação. É também importante conhecer o efeito de ciclos de umedecimento e secagem na manutenção deste fenômeno. Este trabalho visa avaliar, por meio de ensaios de coluna de infiltração, a formação, nível de armazenamento e quebra de barreiras capilares na interface de um solo laterítico e um geotêxtil sob diferentes condições de umidade inicial, para compor camadas de fechamento de aterros sanitários. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Solo O solo utilizado na execução do protótipo consiste em uma areia argilosa de condutividade hidráulica de 1,4x10-4 cm/s. A Tabela 1 resume as propriedades características do solo. Tabela 1. Propriedades do solo Propriedades Normas Valores Argila NBR7181 34% Silte 4% Areia 62% γs (kN/m3) NBR 6508 26,6 LL (%) NBR 6459 30,3 IP (%) 9,6 γdmáx (kN/m3) NBR 7182 18,7 wótim (%) 14,4 2.2 Geotêxtil Para a execução das colunas em laboratório foi utilizado um geotêxtil não tecido agulhado de filamentos curto de poliéster. Para a caracterização dos materiais foram realizados ensaios de gramatura (NBR 12568, 2003), espessura (NBR 12569, 2003), permissividade (ASTM D4491, 2009) e abertura de filtração (AFNOR G38017, 1983). As propriedades características dos geotêxteis são mostradas na Tabela 2. Tabela 2. Propriedades do solo Propriedades Unidade Norma Valores Gramatura (g/m2) ABNT NBR12568 300 Espessura nominal (mm) ABNT NBR12569 2,69 Permissividade (s-1) ASTM D 4491 1,96 Abertura de filtração (µm) AFNOR G 38017 93 2.3 Ensaios de coluna Colunas de infiltração foram montadas em laboratório para avaliação da formação de barreiras capilares. Estas colunas consistem em permeâmetros com parede de acrílico perfurados para posicionamentos dos sensores de umidade. Os permeâmetros de acrílicos foram vedados com uso de tampas e anéis de borracha (o`rings) na parte superior e inferior da coluna. Basicamente, as colunas para avaliações de barreiras capilares consiste no posicionamento do geotêxtil na base da coluna e posterior compactação do solo até a altura de análise. Sensores de umidade do tipo FDR foram posicionados a cada 10 cm, iniciando-se a primeira camada de leitura a 10 cm acima do reforço. Cuidados deve ser tomados para que o sistema tenha contato com a pressão atmosférica para que o fluxo ocorra. Acima da altura de solo compactado, papel filtro e uma porção de algodão foram posicionados para possibilitar o melhor espalhamento da água que entra no sistema, bem como para evitar erosões devido à queda da água. O ensaio de coluna consiste no monitoramento das alterações nas leituras de umidade volumétrica ao longo da altura da coluna durante o avanço de umedecimento da água. Para evitar a formação de lâmina de água e carga hidráulica, a vazão da água de entrada deve proporcionar uma taxa de avanço da água menor que a permeabilidade saturada do solo. Neste experimento, a taxa de avanço foi de 1x10-4 cm/s, 1,4 vezes menor que a permeabilidade do solo saturado. Entrada de água Pressão atmosférica Saida de água Coleta Tampa superior Tampa inferiorSensores de umidade Geotêxtil não tecido Papel Filtro Algodão Figura 1. Layout do ensaio de coluna. Os ensaios de coluna de infiltração foram conduzidas em 4 diferentes condições de umidade do solo, sendo um na umidade de compactação da energia de Proctor Normal (14%), 3% abaixo da umidade de compactação, 2% e 4% acima da umidade de compactação. Todas as colunas estudadas foram moldadas com grau de compactação (GC) de 90% em relação ao peso específico seco máximo do ensaio de Proctor de Energia Normal. A Tabela 3 resume as condições e as nomenclaturas do ensaio realizado. Tabela 3. Resumo das condições de ensaio Coluna w GC (%) (%) 1 11 90 2 14 90 3 16 90 4 18 90 3 RESULTADOS A formação de barreiras capilares pode ser identificada com base no armazenamento de água acima do geotêxtil devido o bloqueio do avanço do umedecimento. Durante o bloqueio, há o aumento progressivo da altura de armazenamento até um limite máximo que resulta na diminuição da sucção da interface a um ponto da curva de condutividade hidráulica não saturada em que a permeabilidade do geotêxtil torna a ser superior a permeabilidade do solo. Essa identificação do armazenamento e quebra pode ser realizada plotando-se as leituras dos sensores de umidade durante o tempo em que acontece avanço do umedecimento. As curvas de umidade volumétrica com o tempo para as colunas 1, 2, 3 e 4 são apresentadas nas Figuras 2, 3, 4 e 5. 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 U m id ad e v ol um ét ric a ( m /m ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 Coluna de ensaio 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 U m id ad e v ol um ét ric a ( m /m ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 6 7 8Coluna de ensaio Armazenamento de água acima da barreira Quebra da barreira 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 U m id ad e v ol um ét ric a ( m 3 /m 3 ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 6 7 8 Coluna de ensaio Armazenamento de água acima da barreira Quebra da barreira 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 U m id ad e v ol um ét ric a ( m /m ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 6 7 Coluna de ensaio Armazenamento de água acima da barreira Quebra da barreira Figura 2. Leituras dos sensores de umidade ao longo do tempo de ensaio da coluna 1 (11% de umidade inicial). 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 U m id ad e v ol um ét ric a ( m /m ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 6 7 Coluna de ensaio Armazenamento de água acima da barreira Quebra da barreira Figura 3. Leituras dos sensores de umidade ao longo do tempo de ensaio da coluna 2 (14% de umidade inicial). Os resultados mostram que barreiras capilares se formaram nos teores de umidades iniciais de 11%, 14% e 16%. No entanto, esta não se formou para o teor de umidade 4% acima da ótima. Isso pode ser atribuído ao fato de que a sucção de interface é correspondente ao ponto em que as curvas de condutividade hidráulica não saturada se cruzam ou valor de sucção abaixo deste. Neste ponto de sucção a permeabilidade do geotêxtil passa a ser maior ou igual a permeabilidade do solo. 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Um id ad e v ol um étr ica (m /m ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 Coluna de ensaio 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Um id ad e v ol um étr ica (m /m ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 6 7 8Coluna de ensaio Armazenamento de água acima da barreira Quebra da barreira 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Um id ad e v ol um étr ica (m 3 /m 3 ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 6 7 8 Coluna de ensaio Armazenamento de água acima da barreira Quebra da barreira 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Um id ad e v ol um étr ica (m /m ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 6 7 Coluna de ensaio Armazenamento de água acima da barreira Quebra da barreira Figura 4. Leituras dos sensores durante o ensaio 3. 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 U m id ad e v ol um étr ica (m /m ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 Coluna de ensaio 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 U m id ad e v ol um étr ica (m /m ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 6 7 8Coluna de ensaio Armazenamento de água acima da barreira Quebra da barreira 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Um id ad e v ol um ét ric a ( m 3 /m 3 ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 6 7 8 Coluna de ensaio Armazenamento de água acima da barreira Quebra da barreira 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Um id ad e v ol um ét ric a ( m /m ) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 6 7 Coluna de ensaio Armazenamento de água acima da barreira Quebra da barreira Figura 5. Leituras dos sensores durante o ensaio 4. Com relação aos teores de umidades, pode-se verificar que barreiras capilares iniciaram-se em menores tempo em comparação com valores mais altos de teor e umidade. É provável que as maiores sucções e, consequentemente, maiores tensões capilares, fazem com que o avanço ocorra mais rapidamente. Embora as barreiras iniciaram-se mais rapidamente, estas permaneceram em maior tempo. Para o teor de umidade de 16% (2% acima da ótima) as barreiras permaneceram durante 300 minutos, enquanto para os teores de umidade iniciais de 11% e 14%, estas duraram 400 minutos, promovendo maior armazenamento de água acima do geotêxtil. O maior armazenamento ocorreu no teor ótimo de umidade, e não para valores abaixo desta, o que era esperado (entre 0,2 e 0,3 m). Já para a barreira 3, a altura de armazenamento foi menor que 0,1 m. Este comportamento indica que nas condições reais, com ciclos de umedecimento e secagem, camadas de fechamento com menor teor de umidade pode ter maior duração, uma vez que a altura de armazenamento deve ser maior. O comportamento de cada barreira é resumido na Tabela 4. Tabela 4. Resumo do comportamento das barreiras Coluna w Formação Quebra Armazenamento (%) (min.) (min.) (m) 1 11 600 a 1000 1000 0.1 a 0.2 2 14 800 a 1200 1200 0.2 a 0.3 3 16 1700 a 2000 2000 ≤ 0.10 4 18 Não há - - Nas Figuras 6, 7, 8 e 9 são apresentados os perfis de umedecimento para as colunas 1, 2, 3 e 4. Neste perfis, pode-se notar três valores típicos de teor de umidade durante a infiltração: teor de umidade volumétrica inicial (θi); umidade de capacidade de campo (θcc); e umidadede saturação (θsat). Durante a infiltração o teor de umidade parte do valor de compactação para o valor da capacidade de campo. Já, de modo geral, a saturação é alcançada durante o armazenamento devido a barreira capilar. Pode-se notar nestas figuras que o valor de capacidade de campo é o mesmo para todas as colunas, mostrando que estas não são influenciadas pela umidade inicial de compactação. Na coluna 4, cujo teor de umidade é de 18%, o valor de capacidade de campo coincidiu com o teor de umidade inicial. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Pr of un di da de (c m ) Umidade volumétrica (m/m) 10 min 100 min 300 min 500 min 750 min 1000 min 2000 min θi θcc θsat Figura 6. Perfil de umedecimento da coluna 1 (11% de umidade inicial). 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 P ro fu nd id ad e (c m ) Umidade volumétrica (m/m) 20 min 100 min 300 min 500 min 750 min 1000 min 2000 min θi θcc θsat Figura 7. Perfil de umedecimento da coluna 2 (14% de umidade inicial). 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 P ro fu n d id ad e (c m ) Umidade volumétrica (m/m) 10 min 100 min 300 min 500 min 750 min 1000 min 2000 min θi θcc θsat Figura 8. Perfil de umedecimento da coluna 3 (16% de umidade inicial). 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 P ro fu nd id ad e (c m ) Umidade volumétrica (m/m) 10 min 100 min 300 min 500 min 750 min 1000 min 2000 min θi =θcc θsat Figura 9. Perfil de umedecimento da coluna 4 (18%). 5 CONCLUSÕES O presente trabalhou buscou identificar o comportamento de barreira capilar em interface não saturada solo-geotêxtil sob diferentes condições iniciais de umidade. Para alcançar os objetivos propostos foram realizados ensaios de coluna instrumentadas com sensores para monitoramento da infiltração de água no sistema. Com base neste programa experimental concluiu-se: Barreiras capilares se formaram nos teores de umidades iniciais de 11%, 14% e 16% (2% acima da ótima). No entanto, esta não se formou para o teor de umidade 4% acima da ótima (18%). Isso pode ser atribuído ao fato de que o valor de sucção de interface é correspondente ao ponto em que as curvas de condutividade hidráulica não saturada se cruzam ou valor de sucção abaixo deste. O fato de compactar o solo em baixas umidades não alteram o valor de umidade referente a capacidade de campo. Barreiras capilares iniciam-se em tempos menores para menores teores de umidade, porém o armazenamento de água e tempo de manutanção da barreira é mais prolongado. Para maiores teores de umidade, no caso de barreiras se formarem, estas apresentam quebras com pequenas alturas e tempos de armazenamento de água. REFERÊNCIAS Stormont, J.C. e Anderson, C.E. (1999). Capillary Barrier effect from underlying courser soil layer, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 125, p. 641-648. Iryo, T. e Rowe, R.K. (2005). Infiltration into an Embankment reinforced by nonwoven geotextiles, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 42, p. 1145- 1159. Bouazza, A.; Zornberg, J.G.; McCartney, J.; Nahlawi, H. (2006). Significance of unsaturated behavior of geotextile in earth structutres, Australian Geomechanics, Vol. 41, p. 133-142. Zornberg, J. G.; Bouazza, A., McCartney, J. S. (2010). Geosynthetic capillary barriers: current state of knowledge. Geosynthetics International, Vol. 17, p. 273-300. McCartney, J. e Zornberg, J.G. (2010). Effects of infiltration and evaporation on geosynthetic capillary barrier performance, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 47, p. 1201-1213.
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