Artigos cientificos e sugestões de temas para TCC - ENGENHARIA CIVIL

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PERMEABILIDADE AO GÁS DE UM SOLO COMPACTADO NÃO SATURADO
J. F. T. Jucá
Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Pernambuco
F. J. Maciel
Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Pernambuco
RESUMO: Em aterros sanitários de resíduos sólidos urbanos a impermeabilização da camada de
cobertura é feita com objetivo de se evitar o fluxo de águas pluviais e de gases gerados no processo
de decomposição da matéria orgânica do lixo. A liberação de gases através da camada de cobertura
gera graves problemas ambientais devido a presença do metano e dióxido de carbono. O presente
trabalho apresenta um estudo sobre a permeabilidade ao gás de solos compactados, não saturados,
utilizado na cobertura de um aterro de resíduos sólidos urbanos. Estes estudos foram realizados
visando o monitoramento ambiental do Aterro de Aguazinha, em Olinda –PE. O programa de
ensaios utilizou uma metodologia acessível a vários laboratórios, além de um sistema bastante
simples, desenvolvido para ensaios de campo. Os resultados obtidos em laboratório mostram uma
redução de 100 vezes no coeficiente de permeabilidade ao gás para um aumento do grau de
saturação de 5 para 90%. Os ensaios de campo mostram a importância do equipamento e da
metodologia desenvolvida para estudos desta natureza.
1. INTRODUÇÃO
O processo de decomposição anaeróbia de
materiais putrescíveis em Aterros de Resíduos
Sólidos acarreta a produção do LFG (landfill
Gas), gás que além do caráter inflamável,
causa uma gama de problemas ambientais
devido à presença do metano e dióxido de
carbono, entre outros gases. Por conseguinte,
faz-se necessário, uma perfeita
impermeabilização das células ao referido gás,
para que tais problemas sejam mitigados.
O estudo do dimensionamento das camadas
de cobertura de argila é parte integrante do
projeto de recuperação ambiental do Aterro de
Aguazinha. Sendo este, o segundo maior em
operação na Região Metropolitana do Recife-
PE, recebendo cerca de 370 toneladas de
resíduos domésticos, industriais e hospitalares
diariamente. Neste local foram projetadas 4
células, as quais são destinadas ao processo de
tratamento dos resíduos, denominado “bio-
remediação”. Duas destas células foram
tomadas como experimentais, afim de serem
obtidos resultados para uma melhor operação
das demais. Dentro deste propósito, este
trabalho tem como objetivo o estudo da
permeabilidade ao gás do solo de cobertura das
referidas células, sendo os ensaios executados
em campo e laboratório.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Landfill Gas (LFG)
A produção do gás em aterros sanitário,
ocorre da seguinte forma: Inicialmente
estabelece-se o processo de decomposição
aeróbia durante a depositação do lixo, que
prolonga-se até não haver mais oxigênio livre
para sustentá-lo, ou seja, após o recobrimento
definitivo da cobertura da célula. Inicia-se
então, a fase de decomposição anaeróbia.
384
Durante a primeira fase de decomposição
anaeróbia, a presença indesejada de ácidos
orgânicos reduz o pH para 4 ou 5, tornando-o
tóxico para as bactérias de produção do metano
(CH4), portanto, pouco metano será produzido
durante este período. Com o tempo, estas
bactérias tornam-se mais predominantes
(segunda fase anaeróbia) agindo assim na
transformação dos ácidos voláteis em metano e
dióxido de carbono numa proporção de (50-
50%); como resultado, tem-se um aumento no
pH para valores mais neutros 7-8. Após esta
fase de longa duração, a produção de metano
irá decrescer e maiores condições aeróbias irão
se estabelecer pela percolação de água
oxigenada através das camadas de cobertura
para a massa do lixo.
O LFG é uma mistura de diferentes gases e
suas propriedades podem variar com a sua
composição. Os valores achados para esta
composição dependem da natureza do lixo,
idade de cobertura e localização da
amostragem. Alguns valores típicos são
encontrados na literatura.: CH4 (40-65%), CO2
(25-40%), N2 (13-30%), O2 (1-4%), H2
(0,05%), CO (0,001%) entre outros.
Como visto, os principais constituintes do
LFG são o metano e o dióxido de carbono que
são chamados “Gases Greenhouse”,
considerados responsáveis pelo aquecimento
terrestre. Além disto, o LFG apresenta outras
características bastantes perigosas que
precisam ser perfeitamente esclarecidas: o
metano é inflamável em atmosfera aberta e
explosivo em atmosfera fechada, além de ser
um gás asfixiante sozinho ou quando
misturado com o ar. Alguns dos componentes
do gás podem apresentar risco tóxico,
principalmente em aterros de resíduos
industriais. O gás também pode ser um perigo
para a vegetação das redondezas, impedindo a
chegada de oxigênio as raízes. Portanto, tais
propriedades danosas precisam ser
minimizadas e uma das formas de se evitar
maiores problemas consiste na transformação e
utilização do LFG como combustível. Este
caráter de combustão decorre especialmente da
presença do metano que apresenta um poder
calorífico entre 15 e 21MJ/m3,
aproximadamente metade do gás natural.
Tabela1. Fatores que afetam a geração de LFG
Dimensão
física do
aterro
Processos anaérobios
dominam, normalmente, em
massa de lixo com
profundidade maior que 5m.
Tipo de lixoA composição do lixo afeta a
percentagem, qualidade e
quantidade de gás gerado.
Operações
no aterro
Redução do volume do lixo
por compactação e utilização
de pequenas áreas para um
rápido fechamento das células,
irão encurtar o processo
aeróbio
Densidade
do lixo
Quanto maior a densidade do
lixo, mais acentuada é a
produção do gás por unidade
de volume de espaços vazios.
Teor de
umidade
Aumento de umidade por
recirculação de líquido nas
células, acelerarão a produção
do gás
pH nas
células
Produção de metano será
favorecida em ambientes com
pH neutro (6,5 à 8,5)
Temperatura
do lixo
Temperatura de maximização
de produção do gás está entre
35 e 45ºC.
Ingresso de
oxigênio nas
células
Presença indesejada de
oxigênio durante a fase
anaeróbia retardará a geração
do gás.
2.2. Permeabilidade do solo ao ar:
A permeabilidade de um meio poroso em
relação ao fluxo de ar é uma função de sua
permeabilidade intrínseca e de seu grau de
saturação. Vale ressaltar, que a permeabilidade
ao ar deve ser claramente diferenciada da
permeabilidade intrínseca de um meio, que por
sua vez depende exclusivamente das
propriedades do solo e não das características
ou quantidade do fluido percolante (Stylianou
e DeVantier, 1995). Portanto, a permeabilidade
intrínseca da camada de cobertura em relação
ao gás dependerá do tipo de solo utilizado na
sua execução e das condições na qual se
encontra o solo, tais como: umidade, volume e
distribuição de vazios, grau de saturação ao
LFG (relação entre o volume do gás e o
ar) decresça e o coef. de permeabilidade a
água (w) cresça com o aumento do grau
saturação do solo, os valores de ar se mantém
significativamente maiores que os valores de
w para todos os teores de umidade. Uma das
razões para este fato está na diferença de
valores da viscosidade absoluta da água e do ar
( w> ar), sendo a viscosidade absoluta do
fluido um parâmetro de proporcionalidade
inversa a permeabilidade do solo (Fredlund e
Rahardjo, 1993).
De acordo com Corey (1986) e Matyas
(1967) para um solo não saturado, o fluxo de ar
geralmente se torna contínuo quando o grau de
saturação se reduz para menos de 85% e, para
valores acima deste o coeficiente ar é
aproximadamente igual a zero, com a
passagem de ar se reduzindo apenas ao
processo de difusão.
Em relação a solos compactados, o
coeficiente de permeabilidade ao gás se
comporta como uma função inversa ao peso
específico seco da curva de compactação
Proctor, atingindo um valor mínimo para solos
compactados ligeiramente acima da umidade
ótima, ou seja, próximo ao peso específico
seco máximo do solo (Ignatius et al., 1997).
Portanto, para um projeto de dimensionamentodas camadas de cobertura nos aterros
sanitários, se faz necessário também um
conhecimento prévio do coeficiente de
permeabilidade do solo ao gás em função da
energia e da umidade de compactação a serem
utilizadas na execução das mesmas.
3. SOLO ESTUDADO
O solo em estudo foi obtido da jazida que
forneceu o material utilizado na cobertura das
células do aterro mencionado. A composição
granulométrica deste solo é de 30% de argila,
8% de silte e 59% de areia (37% de areia fina).
Sendo este, segundo a USC, classificado como
um SC, ou seja, uma areia argilosa. Os limites
de Atteberg são: LL=45% e IP=15%. No
ensaio de compactação Proctor Normal foram
obtidos umidade ótima de 14% para um peso
específico seco máximo de 17,95kN/m3.
Também foram realizados ensaios de sucção
em membranas de pressão para determinação
da curva característica da relação sucção x
umidade do solo (Figura 1). A permeabilidade
à água foi determinada em condição saturada
em permeâmetro de parede flexível de carga
constante, com o valor de w encontrado de
1,8x10-8m/s.
Figura1. Curva característica do solo
4. ENSAIOS DE LABORATÓRIO
4.1 Metodologia
4.1.1 Equipamento
Os ensaios estão sendo realizados através do
equipamento mostrado na Figura 2, que
consiste num sistema hidropeneumático (Tri-
flex 2 - Soil Test - ELE) o qual permite a
aplicação de pressões confinantes, no topo e na
base, possibilitando a injeção do gás através de
corpos de prova compactados com a energia do
Proctor Normal.
Figura 2. Esquema Laboratórial
386
O presente trabalho, tendo em vista as
dificuldades técnicas decorrentes de se
trabalhar com um gás explosivo e tóxico, está
sendo efetuado em laboratório com os ensaios
de permeabilidade tomando o ar como o fluido
percolante.
Faz-se necessário a passagem do gás através
de um pré-saturador feito em vidro para a
posterior percolação pelo corpo de prova. O
pré-saturador fica parcialmente preenchido
com água deionizada e funciona para garantir
que o gás percolante esteja totalmente
saturado, evitando assim que este possa retirar
com facilidade a água do solo na forma de
vapor.
O medidor de fluxo é feito de vidro e
graduado para o volume de 20 ml. É utilizado
detergente comum para a formação de bolhas.
Para a medição do fluxo é preciso que as
paredes internas do fluxímetro estejam
previamente limpas e molhadas com
detergente para evitar que as bolhas
"quebrem". É utilizado também, um
cronômetro, para medir o tempo necessário
para que uma bolha passe por duas marcas
indicadoras que corresponde exatamente ao
volume de 20 ml.
A câmara de ensaio e os tubos utilizados,
são os mesmos utilizados no ensaio de
permeabilidade do equipamento Tri-flex
Permeameter. As interligações entre os tubos,
o pré-saturador e o medidor de bolhas foram
feitas com tubos de silicone. Para uma melhor
garantia nas interligações solicitadas a grandes
pressões foi adicionada uma abraçadeira para
evitar vazamentos ou até mesmo o
desligamento dos tubos.
4.1.2 Procedimento do ensaio
O corpo de prova utilizado nos ensaios foi
compactado à energia de Proctor Normal
próximo a densidade máxima e umidade ótima
com dimensões de 10cm de diâmetro e 5cm de
altura. Para a execução dos ensaios,
inicialmente o corpo de prova deve ser
envolvido com uma fina camada de borracha
de silicone e em seguida com membranas de
borracha (três). Faz-se necessário o uso da
borracha de silicone para que o gás não percole
pela lateral da amostra prejudicando a
determinação do coeficiente de permeabilidade
(k ar).
A seguir, o corpo de prova é pesado e
colocado em câmaras de ensaio, entre pedras
porosas secas e papel-filtro. A pressão
confinante (s 3) aplicada foi suficiente apenas
para garantir boa adesão das membranas ao
corpo de prova, visto que um aumento da
pressão de confinamento reflete num
rearranjamento dos vazios do solo, e
consequentemente, na diminuição do k ar, além
da mudança na umidade causada pela expulsão
d’água do solo.
A execução do ensaio deve acontecer
imediatamente após a sua montagem, caso
contrário, estaremos determinando o
coeficiente de permeabilidade para um valor de
umidade diferente que o tomado inicialmente.
A aplicação de pressão de ar no topo da
amostra variou entre 2 e 300kPa, em relação à
atmosférica, dependendo do grau de saturação
em que a mesma se encontrava, enquanto que a
pressão de confinamento ficou mantida sempre
com um acréscimo de 10kPa em relação à de
entrada. A pressão de ar na saída foi deixada
livre à pressão atmosférica para a posterior
passagem pelo fluxímetro. Determina-se então,
o fluxo através de 15 leituras sucessivas a
partir das quais se obtém o tempo médio.
4.1.3 Avaliação
A metodologia, descrita anteriormente, foi
modificada a partir de modelos desenvolvidos
por Ignatius (1998), Stylianou e DeVantier,
(1995) e Springer et al., (1998) e como se trata
de uma experiência que vem sendo
desenvolvida há pouco tempo e tendo em vista
que todo o sistema foi adaptado aos nossos
equipamentos laboratoriais, foram constatados
alguns problemas instrumentais no decorrer
dos ensaios, mas que rapidamente foram sendo
solucionados.
A partir de pressões da ordem de 250kPa
foram constatadas anomalias no ensaio, tais
como: o lixiviamento de partículas do solo
através da água percolada e o desprendimento
do tubo de silicone na entrada do pré-saturador
com utilização de pressões de topo nesta
ordem; as membranas de borracha não
suportaram o acréscimo de pressão confinante
387
aplicado, rompendo e prejudicando todo ensaio
pela inundação do corpo de prova. Por
conseguinte, aconselha-se a realização dos
ensaio com pressões de ar relativamente baixas
(até 150kPa) para que tais problemas sejam
mitigados.
4.2 Resultados
A primeira seqüência de ensaios foi
realizada tendo em vista a obtenção do
coeficiente de permeabilidade e de parâmetros
de compressibilidade do gás utilizando a
amostra com grau de saturação previamente
determinado de 67%. Para tal propósito, fez-se
necessário a aplicação de diferentes gradientes
de pressões de topo. Os coeficientes de
permeabilidade intrínsecos efetivos foram
calculados a partir dos dados obtidos nos
ensaios de percolação de ar, utilizando as
equações abaixo:
P
xq
Kia
D
D´´
=
m
 (1)
( )22
2
PsPetA
VsPsL
Ka
-´´
´´´´
=
m
 (2)
Onde, a Equação (1) foi utilizada para
determinação de coeficientes de
permeabilidade para o gás considerado
incompressível, ou seja, aplicados a pressões
não superiores a 10kPa. E para pressões
superiores ao valor mencionado, fez-se
necessário o uso da equação de Ka , gás
considerado compressível (Ignatus, 1998).
Dividindo-se Eq.2 por Eq.1, e lembrando que
Pe = Ps +DP, temos:
PPs
Ps
Kia
Ka
D+
=
2
2
 (3)
onde, Ps = Patm =101,32kPa
Por meio desta equação é possível verificar
a influência da consideração ou não da
compressibilidade do gás na determinação dos
coeficientes de permeabilidade (Ignatius,
(1998) citando Langfelder et al., (1968)).Os
resultados dos ensaios estão mostrados na
Tabela 2, de onde também obteve-se a Figura
3.
y = 8E-06x - 5E-05
R2 = 0,9952
1,0E-05
1,1E-04
2,1E-04
3,1E-04
4,1E-04
5,1E-04
6,1E-04
7,1E-04
8,1E-04
9,1E-04
0 20 40 60 80 100 120 140
Gradiente de Pressão (kPa)
V
e
lo
ci
d
a
d
e
 A
p
a
re
n
te
 d
o
 F
lu
x
o
 (
m
/s
)
Figura 3. Velocidade aparente do fluxo x
Gradiente de pressão
A sequencia seguinte foi realizada em um
corpo-de-prova apresentando graus de
saturação variando de 5% a cerca de 90%. As
pressões de topo aplicadas foram da ordem de
5 à 15kPa dependendo das condições de
saturação do solo. Para amostras secas foram
necessárias pressões de topo menores (5kPa),
enquanto que asde maior grau de saturação,
pressões mais elevadas. Aplicando-se as Eq.1
ou 2 foram determinados os coeficientes de
permeabilidade do solo para cada grau de
saturação pré-determinado. A Figura 4 mostra
a curva de permeabilidade do solo como
função do grau de saturação.
Tabela2. Resultados da primeira sequência de ensaios
Gradiente (DP)
(kPa)
Veloc. Aparente
do fluxo (m/s)
k ar / 10
-9
(m/s)
Ka / 10
-15
(m2)
K ia / 10
-15
(m2)
Ka / K ia
(Eq.3)
Ka / K ia
(exp.)
10 0,5x10-4 2,9 4,68 4,91 0,953 0,953
20 1,2x10-4 3,0 4,84 5,32 0,910 0,909
40 2,5x10-4 3,0 4,78 5,74 0,835 0,833
80 5,6x10-4 2,9 4,60 6,44 0,717 0,714
120 9,4x10-4 2,8 4,48 7,16 0,628 0,626
388
1,0E-10
1,0E-09
1,0E-08
1,0E-07
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Saturação (%)
C
o
ef
. d
e 
P
er
m
ea
b
ili
d
ad
e 
(m
/s
)
Figura 4. Curva do coeficiente de permeabilidade ao ar como função do grau de saturação
5. ENSAIO DE CAMPO
5.1 Metodologia
5.1.1 Equipamento
Os ensaios de campo têm como objetivo
principal a medição da estimativa de fluxo do
gás (LFG) pela camada de cobertura utilizada
nas células. A obtenção destes dados só foi
possível mediante a utilização e
desenvolvimento do dispositivo indicado na
Figura 5.
Cortina de argila
Produção LFG
Conector de saída
Figura 5. Esquema Placa de Fluxo
Tal equipamento tem a forma de uma
campânula plana confeccionada em chapas
metálicas nas laterais e uma placa de acrílico
cristal na parte superior, onde está colocada a
conexão de saída do gás. Acopla-se a esta
conexão um tubo fino de polietileno que
conduz o gás até um fluxímetro. Também é
utilizado o equipamento da Dräger - Multiwarn
II que estabelece, por meio de sensores, a
composição percentual do metano, dióxido de
carbono e oxigênio do gás confinado no
interior da placa.
5.1.2 Procedimento do ensaio
O procedimento de realização do ensaio
consta, inicialmente, de uma observação prévia
do local para a verificação das condições de
saturação da camada de cobertura, tendo em
vista que o fluxo do gás poderá ser bastante
baixo ou até mesmo nulo para valores elevados
do grau de saturação. Portanto, aconselha-se a
realização do ensaio em condições opostas as
acima mencionadas, para que o ensaio não se
torne cansativo e demorado.
Em seguida escolhe-se a área especifica de
realização do ensaio. É recomendável que esta
esteja o mais afastado dos taludes da célula,
para que não sofra nenhuma influência dos
ventos lateralmente incidentes e que não esteja
muito próxima a drenos de gás, pois o fluxo
dificilmente se dará pela camada de cobertura.
Também recomenda-se que o local escolhido
seja plano e não apresente fissuras na área
coberta pela placa, pois ao contrário, a
estimativa do ensaio será prejudicada devido a
não uniformidade do meio. Na hipótese de
haver fissuras estudos específicos deverão ser
realizados tipo: mapeamento, dimensões em
superfície e profundidade, etc.
389
A cravação da placa no terreno é executada
de modo que não altere as características
naturais da área confinada sob a placa. Durante
este processo, a placa já deve estar conectada
ao tubo de saída do gás, para que não haja
nenhum acumulo de gás em seu interior,
prejudicando assim o ensaio. A passagem do
gás se dará, então, pelo fluxímetro que
permitirá leituras sucessivas até um certo
instante em que o fluxo se torne constante,
determinando-se assim, o fluxo do gás pela
camada de solo (Figura 6). Prossegue-se então
o ensaio, acoplando no mesmo conector de
saída de gás, o medidor de concentração
percentual de metano, dióxido de carbono e
oxigênio. Este equipamento, permitirá avaliar
que tipo (mistura) de gás encontra-se
internamente confinado na placa.
Figura 6: Placa de Fluxo de Gás
5.1.3 Avaliação
Com a realização dos ensaios de campo, foi
possível constatar que as fichas laterais da
placa, que penetram 10cm no solo, devem ser
prolongadas para se evitar fluxos laterais
ocasionados pelos ventos incidentes nos
taludes da célula. De uma forma geral, a placa
de medição de fluxo de gases apresentou
resultados satisfatórios, sendo de grande valia
para medições in situ, que são fundamentais
neste contexto de aplicações.
5.2 Resultados
Os resultados preliminares encontrados para
a velocidade aparente de fluxo na camada de
cobertura foram da ordem de 10-6m/s, ou uma
vazão de 10-6m3/s ,quando a mesma
apresentava-se com grau de saturação da
ordem de 73%. Estes valores representam uma
liberação de gás de 86,4litros/dia/m2 para a
atmosfera. Por outro lado este sistema permite
também avaliar a variação de concentração dos
gases com o tempo, que também é função do
fluxo do solo. Neste caso, pode ser avaliado
tanto a variação de concentração com o tempo
do CH4, como do CO2. Como exemplo, foi
constatado uma variação na concentração de
CH4 de 5 para 13% após a primeira hora de
ensaio.
6. CONCLUSÕES
Os ensaios realizados permitiram mostrar
que a velocidade aparente do fluido é direta e
linearmente dependente da carga hidráulica
aplicada ao mesmo, confirmando assim, a
validade da Lei de Darcy para o fluido gasoso
utilizado nos experimentos. Estes resultados
permitiram também concluir que o coeficiente
de permeabilidade do solo ao ar se reduz
significativamente com o aumento do grau de
saturação, principalmente a partir de 70%. Os
valores da permeabilidade intrínseca são da
ordem de 10-14 m2 (k ar =10
-8 m/s) para o solo
com grau de saturação de 5% e de menos de
10-16 m2 (k ar =10
-10 m/s) para o solo com cerca
de 90% de grau de saturação.
7. REFERENCIAS
Corey, A.. T. (1986). Methods of soil analysis,
Part 1. Phisical and mineralogical methods
– Agronomy Monograph nº.9 (2nd Edition).
Ignatius, S. G., Kessler, T., Vicenzetto, F.
(1997). Ensaios de permebilidade ao ar –
Estimativa da vazão de gás bioquímico – 6º
Congresso Nacional de Geotecnia – Lisboa.
Ignatius, S. G. (1998). Fluxo unidirecional de
gás através de um solo compactado –
Determinação laboratorial dos parâmetros.
Exame de qualificação para doutorado.
Fredlund, D. G., Rahardjo, H. (1993). Soil
mechanics for unsaturated soils. John Wiley
& Sons, pp.117-143.
Matyas, E. L. (1967). Air and water
permeability of compacted soils,
120c
m
120c
m
390
Permeability and capilarity of soils, ASTM
-STP 417, Am. Soc. Testing Mats, pp.160.
Springer, D. S., Loaiciga, H. A., Cullen, S. J.,
Everett, L. G. (1998). Air permeability of
porous materials under controlled
laboratory conditions.. Vol.36, No.4 –
Ground Water – July-August.
Stylianou, C., DeVantier, B. A. (1995).
Relativy air permeability as function of
saturation in soil venting. Vol.121, No.4 –
Journal of Environment Engineering.
Waste Management Paper No.27 (1989). The
control of Landfill Gas. Her Majesty`s
Inspectorate of Pollution. London.
8. NOTAÇÃO
Os símbolos seguintes foram usados na
resolução das equações experimentais:
A = área secção transv. do corpo-prova (m2).
L = Dx = altura do corpo de prova (m).
Vs / t = fluxo de ar medido (m
3/s).
q = velocidade aparente do fluxo (m/s).
DP = gradiente de pressão na amostra (kPa).
m = viscosidade dinâmica do ar (Pa.s).
Pe = pressão efetiva de entrada (kPa)
Ps = pressão efetiva de saída do sistema (kPa)
Ka = coef. de permeabilidade intrínseca para
um gás compressível (m2).
Kia = coef. de permeabilidade intrínseca para
um gás considerado imcompressível (m2).
k ar = coef. de permeabilidade ao ar (m/s).
k w = coef. de permeabilidade à água (m/s)