Artigos científicos para auxilo de TCC - Mecanica dos solos

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ENSAIOS DE RESSECAMENTO EM LAMAS VERMELHAS: ESTUDOS DE
VIABILIDADE PARA USO DA TÉCNICA DE DRY STACKING
L. F. de S. Villar
UFMG, Departamento de Engenharia de Transportes e Geotecnia
T. M. P. de Campos
PUC-Rio, Departamento de Engenharia Civil
RESUMO: Se comparado à técnica de disposição úmida, o processo que submete resíduos ao
ressecamento pode proporcionar benefícios mais imediatos, como exigência de menor área e
movimentos de terra para a disposição. Estocar rejeitos em condições deles serem submetidos à
secagem em geral produz um depósito sólido estável, mais adequado para uma pronta reabilitação.
Esta técnica é conhecida como dry stacking, ou empilhamento a seco. Neste trabalho, são
apresentados alguns resultados do acompanhamento do ressecamento de lamas vermelhas, que é
como são chamados os resíduos do processamento de bauxita para obtenção da alumina. Foram
realizados ensaios de secagem em caixas de dimensões e formas variadas, sob condições
controladas, com o objetivo de reunir parâmetros para a previsão do comportamento deste material
quando dispostos pela técnica de dry stacking. As caixas foram instrumentadas com tensiômetros e
termopares e também se monitorava a perda de umidade com o tempo, por meio de balanças e
coleta de amostras periódicas. Procurou-se, assim, verificar como o resíduo se comporta na
transição do estado de saturação para o não saturado e identificar se os parâmetros mais
importantes a se considerar na modelagem da disposição por secagem são adequadamente obtidos
por estes ensaios.
INTRODUÇÃO:
A disposição dos resíduos gerados pela
exploração e processamento mineral é um
problema crescente e novas técnicas que
auxiliem no seu manuseio vêm sendo
pesquisadas. Algumas indústrias de exploração
e processamento mineral tem que lidar com
milhões de toneladas de resíduos semi-sólidos
e/ou outros subprodutos. No caso da
exploração e processamento da bauxita,
dependendo da composição químico-
mineralógica da rocha de origem, são gerados
até duas (2) toneladas de resíduos por tonelada
de alumina produzida (Cooling, 1989).
Segundo Solymar e outros (1992), havia no
final dos anos 80, 1 bilhão de ton. de resíduos
secos de processamento de bauxita e esta
quantia aumentava a uma taxa de 4% ao ano.
É comum que rejeitos tais como os de
mineração sejam produzidos e removidos para
o local de estocagem através de processos
“úmidos”, ou seja, sob a forma de lama. Um
projeto bem controlado para a disposição de
resíduos nesta forma envolve informações não
só sobre sedimentação inicial e adensamento
por peso próprio sob várias condições de
contorno, mas também sobre a formação de
crosta superficial devido a efeitos combinados
de rebaixamento do nível de água e de
ressecamento devido a exposições esporádicas
dos resíduos ao ar livre (Fahley e Fujiyasu,
1994).
O procedimento comum adotado na
reabilitação destas áreas de depósito é colocar
um capeamento sobre a superfície, revestindo-
a. Portanto, o desenvolvimento de uma crosta
superficial ressecada, com uma resistência
242
adequada para suportar trabalhadores e
equipamentos pode auxiliar em muito, o
andamento destas obras.
A técnica de permitir o ressecamentno do
material ao longo de toda as etapas de
armazenamento pode proporcionar estes
benefícios. Além disto, exige menor área e
movimentos de terra para construção dos
reservatórios de disposição, uma vez que se
estará lidando com volumes menores, dada a
elevada contração que em geral estes materiais
apresentam. De uma forma gera, esta técnica
tem a capacidade de produzir um depósito
sólido estável, mais adequado para uma pronta
reabilitação e abandono.
O fissuramento por contração durante a
secagem pode resultar em uma boa drenagem
vertical, mantendo baixo o nível freático. Isto
deixa o reservatório em melhores condições
para receber novas camadas, facilitando a
recuperação do fluído utilizado no transporte
do resíduo, bem como a lixiviação de chuva,
sendo menor o risco de contaminação da área
(Corless e Foley, 1992).
Para previsão das propriedades de rejeitos
depositados por via úmida, são usados modelos
de adensamento, para solo saturado, com
grandes deformações, como os de Gibson e
outros, 1981; Shciffman e outros, 1984; Pane,
1985, dentre outros. Porém, eles não têm se
mostrado adequados para descrever casos onde
os resíduos são permitidos ressecar em
camadas finas, após a deposição (Rollings,
1994). A Figura 1 compara previsões feitas
através de teorias de adensamento que não
consideram os efeitos de ressecametno e as
medições realizadas em uma área de
disposição de resíduos que era regularmente
exposta ao ar. Como se pode perceber, é
grande a discrepância da previsão com estas
teorias em relação ao comportamento real do
reservatório. Justifica-se, assim, a necessidade
de desenvolver métodos que considerem o
efeito provocado pelo ressecamento solar.
Algumas tentativas tem sido feitas para
modelar a vida útil de reservatórios formados
por camadas expostas ao ressecamento solar.
Entre elas, pode-se citar os trabalhos de
Sparrow (1981), Cargill (1985), Cooling
(1985), Swarbrick e Fell (1992), Richards
(1992), Abu-Hejlen e Znidarcic (1995).
FIGURA 1: Alturas Medidas e Previstas de
Resíduos em Uma Área de Deposição
(adaptado de Cargill, 1985)
No caso dos resíduos de processamento de
bauxita, a técnica que permite a secagem dos
resíduos teve um desenvolvimento
significativo nos anos 80. No Brasil, tem sido
experimentada em resídusosde lavagem de
bauxita, com resultados promissores (Ávila e
outros, 1995). Experiências com resíduos de
outros minerais em várias partes do mundo
também tem sido relatadas, como por exemplo,
em Knight e Haile (1983), Swarbrick (1992) e
Fahey e Fujiyasu (1994).
Os ensaios aqui apresentados foram
idealizados para que se tivesse um melhor
entendimento do processo de ressecamento de
resíduos de mineração. Um dos objetivos para
sua execução foi o de obter parâmetros
adequados para utilização em modelos já
existentes para a previsão da vida útil de
reservatórios de armazenamento de rejeitos
levando em consideração a exposição dos
mesmos ao ressecamento solar. Através deles,
também se dá uma contribuição para a
melhoria e o desenvolvimento de métodos
mais realistas de previsão de comportamento
destes reservatórios. Isto pode encorajar o uso
desta técnica no país, que possui um ótimo
potencial climático para sua implantação, e
promover menor agressão ao meio ambiente. A
discussão sobre algumas características de
fissuramento dos resíduos ensaiados,
observadas nestes mesmos ensaios, foram
apresentadas em Villar e outros (1977).
243
A TÉCNICA DE DRY STACKING
Muitas empresas de mineração e
processamento vem utilizando esta técnica em
várias partes do mundo, com algumas
variações. Elias (1995) descreve algumas
alternativas que têm sido empregadas na
Austrália. Uma delas foi desenvolvida para
aumentar a vida útil de áreas de disposição já
esgotadas, onde os resíduos foram lançados
sob a forma de lama. É colocada uma camada
de areia sobre esta área, com a instalação de
drenos no seu interior. Diques são construídos
ao redor do perímetro e resíduo seco
(espessado) é descarregado dentro deste local,
em camadas aproximadas de 1,0 metro de
espessura. Estas camadas são deixadas secar
ainda mais, sendo permitido o fissuramento
para acelerar a drenagem das lançadas
posteriormente. Dependendo da disponibi-
lidade de resíduo arenoso no local, novas
camadas drenantes podem ser construídas
sobre o resíduo ressecado antes de um novo
lançamento. Uma outra técnica utilizada é
fazer o lançamento de resíduos secos desde o
início da vida útil do reservatório. A Figura 2
mostra um esquema genérico destas técnicas.
Como técnica para espessamento do resíduo
antes do seu lançamento definitiva, usa-se
grandes espessadores ou adição de floculantes
aos rejeitos. Também utiliza-selançá-los em
reservatórios ou tanques para que adensem por
áreas inclinadas, que facilitam o escoamento
do excesso de líquido, e já expondo o resíduo
ao ressecamento, em camadas de no máximo
20cm. Este material é removido para os locais
definitivos de disposição, depois de atingirem
um baixo teor de umidade (Chandler, 1988).
Ávila e outros (1995) relatam uma variação de
teor de sólidos de 12% para um valor acima de
50% (o equivalente a variação de teor de
umidade gravimétrico de mais de 700% para
menos de 100%) em lamas de lavagem de
bauxita, em reservatórios para pré-
adensamento, antes de dispostas na área de
secagem.
ENSAIOS REALIZADOS
Os modelos para previsão da vida útil de
reservatórios de disposição de resíduos que
consideram efeitos de ressecamento exigem o
conhecimento de vários parâmetros, alguns de
obtenção pouco freqüente na Geotecnia. São
necessários dados tais como taxas de
evaporação, tempo para se atingir
determinadas características do processo
evaporativo, teor de umidade ao longo de todo
o período de ressecamento, quantidade de
líquido evaporado, sucção desenvolvida, dentre
outros. Em geral, eles podem ser determinados
por ensaios como os aqui descritos.
(a)
(b)
FIGURA 2: Disposição a seco: a) sobre
resíduo úmido previamente depositado e b)
com drenagem na base (adaptado de Elias,
1995)
Foram montadas caixas de vidro, de
dimensões variadas, isoladas lateralmente e na
base. Elas eram colocadas sobre balanças para
permitir o acompanhamento da perda de
umidade de um solo, ali depositado na forma
de lama, durante um processo de ressecamento
simulado por meio de exposição a lâmpadas
halógenas, conforme descrito em Swarbrick
(1992) e Swarbrick (1994). Estas lâmpadas
eram deixadas acesas por períodos de tempo
variáveis, em média 8 horas, procurando-se
simular a variação de radiação que ocorre entre
o dia e a noite. Este tipo de recipiente é
chamado de lisímetro e já foi utilizado para
determinação de taxas de evaporação de
244
resíduos de mineração (Swarbrick e Fell, 1992;
Fahey e Fujiyasu, 1994, dentre outros).
Foram usados recipientes das formas mais
variadas. Maior atenção foi dada aos
lisímetros com 50 x 50 x 50cm. Foram
construídos dois destes. Um, destinado à
retirada de amostras periódicas por meio de um
amostrador tipo pistão estacionário, com
diâmetro reduzido. O outro, para acompa-
nhamento sem amostragem, de modo a não
introduzir perturbação ao longo do processo.
Os ensaios foram montados com teor de
sólidos inicial de 46% (teor de umidade em
torno de 117%). Deixou-se adensar por um
período de duas semanas, para então se instalar
a instrumentação. Esperou-se ainda mais uma
semana para que a lama envolvesse bem os
tensiômetros e termopares e, então, iniciar a
simulação de secagem. Na caixa onde não
haveria amostragem, os tensiômetros foram
instalados a 5cm, 10cm, 15cm e 20cm de
profundidade, em vários pontos (extremidades
e centro). Eles eram bem finos e flexíveis,
podendo se movimentar junto com a lama,
tendo capacidade de medir sucções de até cerca
de 100kPa. Os termopares foram instalados
próximos a cada tensiômetro, de modo que
também pudessem acompanhar o recalque da
lama, e tinham precisão de 0,1oC.
Na caixa 02, de amostragem, foram
instalados tensiômetros e termopares só no
centro da caixa, a 5cm, a 10cm e a 20cm de
profundidade. As balanças utilizadas para o
acompanhamento de perda de umidade eram
mecânicas, com capacidade para 300kg e
precisão de 100g.
MATERIAL ENSAIADO
Um dos materiais pesquisados foi uma lama
da região de Ouro Preto, MG. Trata-se de um
resíduo do final do processamento da bauxita
pelo Sistema Bayer, com um pH em torno de
14, decorrente da digestão da rocha em soda
cáustica, para obtenção da alumina.
A densidade relativa dos grãos deste resíduo
é 3,6, sendo que ele é constituído em mais de
50% de Fe2O3 (hematita), tendo sido detectada
a presença de gibbisita e alofana (em torno de
10%), que são dois argilo-minerais. O índice
de plasticidade encontrado foi de 34, com o
limite de liquidez ficando em torno de 64 e o
de contração, em torno de 18. Através de
resultados de microscopia eletrônica,
verificou-se que se trata de um resíduo
homogêneo e com grande quantidade de
amorfos.
Foi feita uma pesquisa sobre fatores que
podiam influenciar a sua curva granulométrica,
tais como o uso de defloculantes, taxas de
sedimentação no soro em que é lançado, faixas
de segregação que podem se formar dentro do
reservatório. A faixa de variação de curvas
granulométricas obtidas levando-se em
consideração todos estes fatores está mostrada
na Figura 3.
FIGURA 3: Faixa de Variação das Curvas
Granulométricas do Resíduo Ensaiado.
RESULTADOS PRELIMINARES
O teor de sólidos médio ao longo da
camada, atingido após o período de
adensamento por peso próprio, foi de 50%
(teor de umidade em torno de 100%). Após
três meses de ensaio, o solo apresentou uma
contração vertical total de 28% (13cm). A
contração lateral da camada superior chegava a
4,5cm e, as fissuras, tinham de 4 a 6cm de
largura, atingindo até o fundo do recipiente.
Apesar de alguns pesquisadores, como Sibley e
Williams (1993), afirmarem que antes da
formação das fissuras só ocorre deformação
vertical do material, notou-se que a contração
horizontal se iniciou antes do começo do
trincamento da superfície.
A temperatura média da sala sem que as
luzes especiais estivessem acessas, variava de
20 a 30oC, com umidades relativas do ar entre
65 a 70%. Nestas condições, observou-se, com
245
relação aos gradientes térmicos, que registrava-
se temperaturas maiores nas camadas internas
do solo. Os gradientes em relação à superfície
ficavam, em média, em torno de 1oC, mas
chegavam até 4,7oC.
Após oito horas de ensaio contínuo, a
temperatura ambiente variava de 45 a 550C, o
que equivale de 28 a 30% de umidade relativa.
Então, percebia-se uma inversão no sentido do
fluxo de calor, havendo uma elevação
acentuada da temperatura das camadas
superficiais, enquanto as temperaturas no
interior da lama quase não mudavam. A
diferença nos valores registrados na superfície
e interior do resíduo chegava até a 15oC.
Os registros de temperatura feito por dois
termopares instalados no centro de um dos
lisímetros estão representados na Figura 4. Na
Figura 4a, estão os dados referentes ao
termopar instalado a 5cm de profundidade e,
na Figura 4b, os de um instalado a 20cm no
interior da lama.
Através dos outros lisímetros de diferentes
dimensões, percebeu-se que a densidade de
trincas formadas ficou muito condicionada à
espessura inicial de lançamento da amostra.
Mesmo quando a umidade relativa estava
acima de 60%, as amostras com camadas finas
apresentaram um extenso fraturamento,
enquanto poucas trincas foram notadas nas
amostras de maior espessura. O fato de que a
camada de lama exposta para secagem seja de
pequena profundidade é considerado como um
dos aspectos de projeto mais importantes para
o sucesso com a técnica de ressecamento solar.
Só assim é que se tem um extenso trincamento
do material depositado, facilitando a drenagem
das camadas que serão lançadas posteriormen-
te (Chandler, 1988; Kerr e Colombera, 1992).
Durante todo o ensaio, foram realizadas
medições de perda de líquido por evaporação,
para o cálculo da taxa em que ela ocorria. A
taxa de evaporação é um dos parâmetros
importantes para uso dos modelos
matemáticos. A curva obtida está representada
na Figura 5. Na Figura 6, para se fazer uma
comparação, está representado um resultado
obtido na Austrália, em lama de lavagem de
bauxita (Swarbrick, 1992), por meio de ensaios
semelhantes aos realizados aqui. A diferença
entre estes testes e os realizados no laboratório
da PUC-Rio, está na precisão da medição da
variação da massa total do lisímetro. No
equipamento brasileiro, as caixas eram
apoiadas diretamente em balançascom
precisão de 100g, enquanto que no australiano,
ele foi montado sobre células de carga. A taxa
de evaporação calculada para o ensaio realiza-
do na PUC-Rio, foi de aproximadamente
3,0mm/dia, enquanto que a do ensaio australia-
no, foi de 5,6mm/dia (Swarbrick e Fell, 1992).
(a)
(b)
FIGURA 4: Variação de Temperatura Medida
no Resíduo ao Longo do Ensaio: (a) 5 cm de
profundidade e (b) 20 cm de profundidade.
Observa-se, na Figura 6, que inicialmente, a
secagem se dá em uma taxa constante, que é a
chamada taxa de evaporação potencial. Após
algum período de tempo, esta taxa diminui.
O comportamento mostrado na Figura 6 é o
esperado em meios porosos isotrópicos sob
evaporação. O ponto onde ocorre a mudança
de taxa é um dado importante para alguns
modelos, que tomam como base este padrão de
comportamento do material ao longo do
processo de secagem (Swarbrick e Fell, 1992).
Ele é nítido na curva da Figura 6, mas não o é
246
na Figura 5. Analisando-se a Figura 7, que
mostra a perda diária de líquido, verifica-se
que o ensaio executado ocorreu quase que
totalmente na sua taxa potencial de
evaporação, pois a perda diária de água foi
praticamente constante ao longo de todo o
período de acompanhamento. Só no final é
que ela começou a diminuir, sugerindo que
entrar-se-ía no segundo estágio de evaporação
caso o ensaio não tivesse sido interrompido.
FIGURA 5: Evaporação Acumulada Medida
ao Longo do Ensaio.
FIGURA 6: Evaporação Acumulada no Tempo
em Lama de Lavagem de Bauxita (adaptado
de Swarbrick e Fell, 1992)
A Figura 8 mostra a variação do topo da
camada da lama com o tempo. Ela ocorreu em
uma taxa quase que constante durante o
período de acompanhamento, só reduzindo no
final. Este fato também pode ser uma
comprovação de que as condições de secagem
ao longo do ensaio, foram em taxa de
evaporação potencial. A Figura 9 mostra a
variação do teor de umidade gravimétrico da
superfície da lama (em média, 5,0cm de
profundidade). No final do período analisado,
o teor de umidade registrado estava em torno
de 20% (teor de sólidos acima de 80%), que é
próximo ao limite de contração do material e
confirmando a tendência à diminuição dos
recalques.
FIGURA 7: Perda de Água Diária Registrada
ao Longo dos Ensaios.
FIGURA 8: Variação do Topo da Camada de
Lama.
A Figura 10 mostra a variação dos perfis de
umidade obtidos por amostragem. Aí, fica bem
claro o avanço da frente de ressecamento.
Nota-se que, mesmo depois de 2 meses de
secagem, abaixo de 25cm de profundidade, os
247
teores de umidade ainda eram elevados (em
média, 60%, teor de sólidos também em torno
de 60%), correspondendo a um nível de sucção
mátrica inferior a 5kPa. Percebe-se, também,
que apenas aproximadamente 20 dias foram
necessários para que a camada passasse de um
teor de umidade médio de 75% para
aproximadamente 55% (teor de sólidos de
aproximadamente 57% para em torno de 65%),
para uma mesma taxa de evaporação. Isto é
uma indicação da necessidade do pré
espessamento do resíduo antes da disposição
para que se agilize o processo.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
TEMPO (dias)
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
U
M
ID
A
D
E
 (
%
)
FIGURA 9: Variação do Teor de Umidade
daCamada Superficial.
Os valores de sucção medidos pelos
tensiômetros na camada superficial, uma
semana após o início do ensaio, eram de
apenas 0,7kPa, aproximadamente. Cerca de
um mês após iniciado o processo de
ressecamento, os valores de sucção registrados
na superfície era de 22kPa e, a 20cm de
profundidade, tinha-se 17kPa. Ao final do
ensaio, o trecho de 5 a 10cm de profundidade
apresentava sucção mátrica em torno de
300kPa.
Os parâmetros obtidos destes ensaios estão
sendo utilizados como dados de entrada no
modelo proposto por Richards (1992). Como
ainda não se calculou a condutividade
hidráulica não saturada dos resíduos, análises
preliminares foram feitas a partir de
estimativas deste dado. Os resultados até
agora conseguidos concordam razoavelmente
com os medidos, tendo o modelo previsto o
recalque da lama com um erro de
aproximadamente 15% (Richards, 1998).
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
TEOR DE UMIDADE (%)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
P
R
O
F
U
N
D
ID
A
D
E
 (c
m
)
INÍCIO
5.35 dias19.12 dias
35.96
50
61.93 
72.1 dias
FIGURA 10: Variação do Perfil de Teor de
Umidade da Lama com o Tempo.
CONCLUSÕES
Foi simulado o ressecamento de um resíduo
para obtenção de parâmetros para uso em
modelos de simulação da vida útil de
reservatórios onde o material é exposto à
secagem. O objetivo era de obter subsídios
para a previsão do comportamento deste
material quando disposto para secagem,
técnica que traz grande economia às indústrias
e menos agressão ao meio ambiente.
Verificou-se que, com o uso de uma
metodologia simples, os dados obtidos
fornecem respostas animadoras quando usados
em um modelo numérico.
Através dos ensaios, verificou-se que a
técnica é viável de ser aplicada em lamas
vermelhas, o resíduo do processamento da
bauxita para obtenção da alumina. Mesmo
tendo sido ensaiada em um teor de umidade
inicial muito elevado, ao contrário do que se
recomenda para o uso da técnica de dry
stacking, o material apresentou uma taxa de
secagem elevada, reduzindo seu teor de
umidade em quase 50% em apenas 20 dias. Ao
248
final de 2 meses, o resíduo já apresentava
níveis de sucção mátrica em torno de 300kPa
entre cinco e dez centímetros de profundidade,
com resistência à tração próxima a 50kPa.
Estes valores conferem à camada resistência
satisfatória para iniciar-se obras na sua
superfície, permitindo adiantar os trabalhos de
reabilitação da área.
O fissuramento ocorrido também foi
considerado satisfatório para facilitar a
drenagem das camadas que seriam lançadas
posteriormente. As fissuras atingiram, em
média, ao longo do período de ensaio, de 4 a
6cm de largura, com mais de 35cm de
profundidade.
Registrou-se a ocorrência de gradientes tér-
micos que se invertiam com o fato das
lâmpadas estarem acesas ou não,
correspondente ao período de dia e noite, com
alternância do fluxo de calor.
A contração vertical total da camada foi de
quase 30%. Este valor dá uma idéia do ganho
em capacidade de estocagem de uma área de
disposição quando se utiliza a técnica de dry
stacking, se comparada com a técnica de
lançamento sob a forma de lama.
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