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SISTEMAS DE FILTRAÇÃO COM PRODUTOS SINTÉTICOS: MECANISMOS,
CARACTERÍSTICAS E DIMENSIONAMENTO
D. C. Urashima
Departamento de Engenharia Cívil - ITA
D. M. Vidal
Departamento de Engenharia Cívil - ITA
RESUMO: A utilização de materiais poliméricos industrializados na engenharia geotécnica, em
substituição aos materiais convencionais, cresceu acentuadamente nas últimas décadas. Uma das
principais aplicações dos geotêxteis, em nosso país e no mundo, é como elemento filtrante, em
substituição aos materiais granulares ou em situações onde os sistemas convencionais não
poderiam ser adotados. Esta aplicação vem se estendendo também a um número crescente de obras
de proteção ambiental. O trabalho tem como objetivo apresentar as considerações que devem ser
feitas quando do dimensionamento destas obras, discutindo os mecanismos de filtração, as
propriedades relevantes dos geotêxteis e critérios de dimensionamento.
1. INTRODUÇÃO
Nas três últimas décadas, vem se
expandindo a utilização de materiais sintéticos
em substituição aos materiais convencionais,
na engenharia geotécnica. O bom desempenho
dos materiais sintéticos no sistema, a economia
e facilidade de colocação que eles propiciam,
fazem com que cada vez mais, eles sejam
empregados. Uma das principais aplicações
desses materiais, em nosso país e no mundo, é
como elemento filtrante. Esta aplicação vem se
estendendo também a um número crescente de
obras de proteção ambiental, tanto em filtros
permanentes quanto em casos de filtração de
partículas em suspensão, que necessitam de
substituição ou retrolavagem periódica ao
longo da vida útil do sistema.
De maneira conceitual, o dimensionamento
de um filtro sintético não se diferencia de um
filtro granular. Similar aos granulares, as
mantas sintéticas têm poros (vazios) e
filamentos ou fibras (partículas) e, em ambos
os casos, o objetivo é permitir a passagem da
água ao mesmo tempo que determinados
diâmetros de partículas são retidas. Os filtros
têxteis, porém, por serem produtos
industrializados, apresentam facilidade em sua
caracterização e permitem melhor controle de
qualidade, em relação a filtros granulares.
Motivadas pela boa atuação das mantas
sintéticas sob diversas solicitações, várias
pesquisas vem sendo realizadas para melhorar
o conhecimento do comportamento desses
materiais e das obras que os utilizam.
Numerosos critérios de dimensionamento de
filtros têxteis tem sido propostos nos últimos
anos, não havendo até o momento uma
analogia entre eles, pois, cada um deles leva
em consideração diferentes efeitos, parâmetros
e metodologias.
Os métodos de dimensionamento de filtros,
tanto granulares quanto sintéticos, usualmente
empregados, empíricos ou semi-empíricos, são
baseados na proposta de Terzaghi e na
experiência dos autores que os propõem. Estes
métodos até poderiam ser empregados no
dimensionamento de filtros interagindo com
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meio poroso, porém geralmente não se aplicam
ao dimensionamento de casos onde ocorra
filtração em suspensão.
Urashima (1996) analisou o problema por
meio de uma nova abordagem, em que se
aplicam teorias probabilísticas, já então
apontadas internacionalmente como um
caminho promissor. Esta metodologia é
particularmente importante para aplicação em
obras ambientais, pois é a única que permite
avaliar e fixar o nível de confiança de retenção
da partícula e, uma vez estabelecida a
espessura do filtro, pode-se verificar a
probabilidade de passagem de cada partícula
contida no intervalo granulométrico do
material a filtrar (Urashima e Vidal, 1998a).
Na situação de filtração em suspensão de
material granular a teoria probabilística
poderia ser diretamente empregada, visto que
trata-se de material inerte e portanto o
problema passa a ser puramente geométrico. Já
no caso de materiais finos (argilas) temos que
inserir na análise a existência da atração
elétrica, desta forma a teoria probabilística
para ser utilizada deveria ser adaptada, de
modo a considerar a probabilidade de atração
das partículas do material a ser filtrado pelos
filamentos (fibras).
O trabalho ora proposto apresenta as
considerações que devem ser feitas no
dimensionamento de filtros sintéticos,
discutindo os mecanismos de filtração, as
propriedades relevantes dos geotêxteis,
critérios de dimensionamento e a possibilidade
de se avaliar o comportamento do filtro na
situação de filtração em suspensão por meio de
técnicas de simulação.
2. MATERIAL SINTÉTICO UTILIZADO
PARA FILTRAÇÃO
Atualmente, existe uma grande variedade de
produtos a disposição do projetista que
pretende utilizar filtros sintéticos. Os
geotêxteis são produtos têxteis permeáveis,
utilizados predominantemente na engenharia
geotécnica, principalmente como elemento
filtrante. Os geotêxteis, além de se
diferenciarem pelo modo como as fibras ou
filamentos combinam-se para constituir a
manta, apresentam características distintas,
dependendo do material que lhes dá origem.
Há dois tipos básicos de geotêxteis,
ilustrados na Figura 1:
tecidos, material oriundo do enlaçamento de
fios, filamentos, laminetes ou outros
componentes, não-tecidos: material composto
por fibras ou filamentos, distribuídos
aleatoriamente em um plano, e interligados por
processos mecânicos, térmicos e/ou químicos.
 
(a)
 
(b)
Figura 1- Principais tipos de geotêxteis: (a)
geotêxtil tecido, (b) geotêxtil não-tecido
agulhado.
Os geotêxteis não-tecidos podem ter suas
fibras ou filamentos interligados por:
agulhagem (entrelaçamento mecânico das por
meio de agulhas dentadas); termoligação
(ligação através de fusão parcial por
aquecimento) e resinagem (ligação por meio de
produtos químicos).
Os não-tecidos apresentam uma estrutura
mais complexa que os tecidos, compondo-se
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de forma tridimensional, possuindo um
parâmetro complementar: a espessura.
3. MECANISMOS DE FILTRAÇÃO
3.1 Introdução
Um grande número de trabalhos discute o
mecanismo de filtração dos geotêxteis; entre
uma série de artigos clássicos podemos citar
Gourc et Faure (1990), Rollin e Lombard
(1988), Rollin et al (1989).
Fatores tais como a estrutura do geotêxtil, a
estrutura do meio a filtrar e as condições de
solicitação, influenciam o comportamento em
filtração (Vidal e Urashima, 1999).
Pode-se considerar dois tipos básicos de
mecanismos de filtração através das mantas
têxteis, em função das diferentes condições em
que ocorram a interação solo-geotêxtil:
filtração em meio poroso e filtração de
partículas em suspensão. A Figura 2 ilustra
algumas das aplicações voltadas à proteção
ambiental. Como se pode observar temos casos
de filtração de um meio poroso, de filtração de
partículas em suspensão e problemas nos quais
inicialmente a filtração é de partículas em
suspensão e a primeira fase de deposição
passa-se a uma situação de filtração de meio
poroso.
A filtração de resíduos ou rejeitos,
considera situações complexas, tais como:
filtração de partículas em suspensão, risco de
colmatação química ou biológica (em aterros
sanitários, por exemplo) e reações químicas
alterando as propriedades do material a reter.
Os sistemas de controle de erosão que se
relacionam à proteção de encostas também
podem apresentar situação de partículas em
suspensão, nos quais o dimensionamento do
filtro é de especial importância. Neste caso o
problema é mais complexo pois o fluxo pode
estar paralelo ao filtro ou atravessá-lo nos dois
sentidos, podendo-se ter ainda o efeito
dinâmico das ondas.
3.2 Filtração em Meio Poroso
Consiste na instalação da manta entre o
material a filtrar e o material drenante,
permitindo, simultaneamente, a prevenção da
migração de partículas do meio base e o livre
escoamento do fluido através do filtro.
(a) retenção de partículas carredas pela chuva
ou produto de lavagem.
(b) filtração de resíduos industriais granulares.
(c) lagoasde sedimentação.
(d) proteção de margens.
Figura 2- Exemplos de aplicação de filtros
têxteis em obras de proteção ambiental.
filtro
Material depositado
Partículas em suspensão
filtroresíduo
dreno
sedimento filtro
dreno
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A ação de um gradiente hidráulico provoca
um fluxo que pode carrear algumas partículas
através do meio poroso e eventualmente do
filtro, o que induz a um rearranjo destas
partículas. A adequada interação meio poroso/
geotêxtil/meio drenante, dependerá das
condições de fluxo, sentido do fluxo (único ou
reverso) e do gradiente hidráulico.
No caso de fluxo em sentido único e meio
poroso bem graduado, o geotêxtil não será o
único responsável pela filtração, mas sim o
elemento que desencadeará a formação de pré-
filtro.
Quando se utiliza um geotêxtil não-tecido,
nesta condição de fluxo, como elemento
filtrante, a manta reterá as partículas, segundo
uma seleção natural; ou seja, as primeiras
partículas finas atravessam a manta no início
do processo, porém gradualmente vai
ocorrendo a formação do pré-filtro, que
acontece devido a dois mecanismos: formação
reticulada em arco e formação reticulada em
abóboda. A situação de pré-filtro é
representada na Figura 3.
No caso de fluxo reverso, solos uniformes
ou de granulometria descontínua, freqüentes
em obras de proteção ambiental, fica difícil a
formação de um pré-filtro, tornando-se
indispensável que o filtro tenha boa capacidade
de retenção de partículas finas.
Figura 3- Formação de pré-filtro em materiais
bem graduados (adaptada de Koerner, 1998).
3.3 Filtração de Partículas em Suspensão
É a situação em que um fluído contendo
partículas em suspensão, cujos grãos não estão
em contato e não existe nenhuma estrutura
rígida organizada, é filtrado. Para a retenção da
maioria das partículas em suspensão, a manta
deve ser colocada transversalmente ao fluxo.
Tal mecanismo de filtração ocorre em
algumas aplicações, por exemplo, filtração de
água em estações de tratamento e filtração de
rejeitos. Estes tipos de filtros requerem troca
ou manutenção periódica durante a vida útil do
sistema.
A filtração de partículas em suspensão é um
problema crítico, pois, conforme pode-se
observar na Figura 4, devido a perda de carga
que ocorre quando a partícula carreada
encontra o filtro, ela tende a se depositar em
sua superfície, o que ocorre mesmo para
partículas muito pequenas, bem menores que a
abertura de filtração do elemento filtrante.
O comportamento de um sistema de
filtração de partículas em suspensão pode
variar de acordo com o tipo de material. No
caso de solo granular, as partículas retidas
podem formar uma camada de material ainda
permeável, em fenômeno equivalente ao
aumento da espessura do filtro; já para solo
coesivo, o problema da colmatação passa a ter
enorme importância.
A colmatação ocorre quando as partículas
carreadas pelo fluxo são depositadas na
interface do filtro ou movidas para o interior
do mesmo, constituindo desta forma uma zona
de menor permeabilidade do que na região de
fluxo livre anterior ao filtro. Ou seja, a
colmatação é provocada pelo depósito de uma
camada pouco permeável a montante do filtro,
esta camada é constituída por partículas finas
bloqueadas pelo filtro. A estimativa do tempo
de troca ou de retrolavagem destes sistemas
poderia ser feita utilizando-se técnicas de
simulação.
4. PROPRIEDADES
4.1 Características do Produto
A adequada utilização das mantas sintéticas
exige o conhecimento de propriedades
essenciais à caracterização do produto, ao
controle de qualidade e à avaliação do seu
comportamento em determinadas condições de
solicitação.
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Além das características mecânicas que
garantem a sobrevivência aos esforços de
instalação e resistência às solicitações durante
a vida útil da obra, no caso de projetos de
sistemas filtrantes torna-se necessário o estudo
e conhecimento das propriedades hidráulicas
dos geotêxteis, definidas pela:
Permeabilidade normal à manta:
permissividade;
Permeabilidade no plano da manta:
transmissividade;
Porometria: abertura de filtração
O parâmetro estrutural do geotêxtil que
mais interessa para avaliar a sua utilização
como filtro relaciona-se com os seus poros, ou
seja, sua distribuição e forma.
Usualmente, a porosidade é determinada
para materiais com estrutura tridimensional, tal
como os não-tecidos. Já nas estruturas mais
simples como a dos tecidos, costuma-se
trabalhar com a porcentagem de superfície
aberta para fluxo de líquido, referida como
porcentagem de área aberta.
Diferentes técnicas têm sido desenvolvidas
nas últimas três décadas com o propósito de
permitir o conhecimento da porometria dos
geotêxteis, sendo utilizados essencialmente
três tipos de métodos: teóricos, medição
indireta medição direta (Urashima et al, 1999).
São considerados métodos de medição
indireta os que se baseiam na análise das
dimensões das partículas (ou material) que
atravessam (penetram) os poros da manta.
Normalmente fazem a determinação da
abertura de filtração por meio de
peneiramento, variando a metodologia entre
peneiramento a seco, por via úmida ou
hidrodinâmico. Um ensaio do tipo
peneiramento por via úmida foi o adotado pela
ISO 12956 (1999).
Os métodos de medição direta prevêem a
medida direta das dimensões dos poros. Os
mais usados são a medição ótica direta e a
análise de imagem.
Foram também desenvolvidas várias
modelizações teóricas para determinação da
abertura de filtração, nos métodos teóricos
enquadram-se diversos modelos matemáticos
utilizados para prever a estrutura porométrica
dos geotêxteis.
Maiores detalhes sobre as técnicas para
determinação das dimensões e da distribuição
dos poros estão discutidas em Bathia et al
(1994), Urashima (1996), Urashima e Vidal
(1995,1997), por exemplo.
4.2 Simulação da Capacidade de Retenção
da Manta
A capacidade de retenção de partículas por
meios filtrantes têxteis, também pode ser
abordada por meio de simulação, para tanto,
deve-se fazer o estudo da estrutura porométrica
do geotêxtil por análise de imagens de
microscópio das mantas têxteis.
A análise é realizada utilizando técnicas de
processamento digital de imagens, tais como
limiarização da imagem, realce de contraste,
leitura de pixels e classificação; permitindo
verificar a existência ou não, de filamentos ou
fibras, que possam vir a reter partículas com
quaisquer diâmetro presentes no material de
base. Esta abordagem elimina o problema de
dever-se estabelecer a forma ou tamanho do
poro existente na manta não-tecida.
Para exemplificar de modo simples o
processo de simulação, podemos considerar
um tecido, onde existe uma única frente de
confronto entre as partículas e o filtro. Neste
Figura 4- Comparação da perda de carga nos casos de filtração em meio poroso e filtração em
suspensão.
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caso a simulação definirá imediatamente se a
partícula passa ou fica retida. Em um não-
tecido, além do confronto de superfície, a
partícula enfrentará outros confrontos durante
a passagem através da espessura da manta.
Cada frente de confronto será representada
por um banco de dados que conterá um arquivo
de presença ou não de filamentos, realizado a
partir de uma imagem processada, conforme
descrito no item 4.3, escolhida aleatoriamente
dentro de um conjunto de imagens
representativas do geotêxtil em estudo.
No estudo da retenção de partículas em
filtros têxteis por meio de simulação, há
também a necessidade de se definir as
estatísticas de chegada de partículas, tanto para
o caso de meio poroso interagindo com o
sistema filtrante, quanto em situações onde
ocorram partículas em suspensão. O material
de base será representado por uma distribuição
probabilística, e a escolha da distribuição a ser
utilizada dependerá dos dados existentes.
A simulação também deverá permitir a
consideração do tipo e intensidade defluxo
existente no sistema, inclusive a situação de
refluxo.
4.3 Nova Abordagem sobre a Estrutura da
Manta
Para exemplificar a análise da estrutura do
geotêxtil usando técnicas de processamento de
imagens, pode-se utilizar imagens adquiridas a
partir de fotos tiradas por meio de uma vídeo
câmara CCD acoplada a um microscópio, e
visualização em tempo real em um monitor
SONY, conectado a um computador que
permite a captura de imagens com o software
Global Lab Image, a imagem adquirida de um
geotêxtil não-tecido, por meio desta
metodologia é representada na Figura 6.
Como o objetivo da análise é separar as
duas classes predominantes na imagem,
filamentos e poros, a imagem selecionada é
submetida a uma seqüência de procedimentos
em processamento digital de imagens, para
obtenção do resultado esperado, utilizando
técnicas que se dividem em dois grupos
principais: realce de imagem e classificação da
mesma. A imagem resultante é limiarizada
tornando-se uma imagem binária, ou seja,
valores maiores ou iguais ao limiar, aparecem
como branco na imagem (poros) e, os menores
como preto (filamentos), conforme Figura 7 e a
partir desta faz-se a leitura dos pixels.
Figura 6- Imagem de um determinado geotêxtil
não-tecido ampliado 50 vezes.
Figura 7- Imagem resultante do processo de
limiarização.
No conjunto solo-geotêxtil, as propriedades
da manta virgem podem ser modificadas, seja
pelo bloqueio de partículas em suas malhas,
seja pela compressibilidade da mesma. Nestes
casos aumenta a probabilidade de retenção de
partículas e, geralmente, adota-se o
comportamento do produto virgem a favor da
segurança. Caso seja necessário considerar
estes efeitos, pode-se valer de ensaios de
filtração de longa duração ou de técnicas de
simulação para a análise.
5. MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTOS
Uma vez, conhecidas as propriedades
necessárias para a concepção do projeto, deve-
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se avaliar qual o método de dimensionamento
que apresentará melhores resultados.
Atualmente, existe um grande número de
critérios propostos para o dimensionamento de
filtros têxteis, apresentando diferentes
considerações. Christopher e Fischer (1992),
discutem a diversidade dos critérios propostos,
baseados na relação:
On < x dm (1)
sendo On o diâmetro equivalente do poro do
geotêxtil, tal que n % dos poros são menores
que ele (geralmente representada pela abertura
de filtração do geotêxtil), x um fator semi-
empírico estabelecido pelo autor da proposta e
dn o diâmetro da partícula a reter tal que m%
das partículas sejam menores que ela.
Como os valores de abertura de filtração
necessários ao dimensionamento são função do
ensaio realizado para sua determinação, os
critérios propostos devem indicar qual o
método de ensaio a ele relacionado.
A maioria dos métodos de
dimensionamento de filtros, tanto granulares
quanto sintéticos, usualmente empregados são,
portanto, empíricos ou semi-empíricos,
baseados na proposta de Terzaghi e na
experiência dos autores que os propõem.
Já o dimensionamento de filtros por meio de
teoria probabilística permite a determinação
racional da espessura necessária para que o
filtro possa reter determinado diâmetro de
partícula, desde que sejam conhecidos a curva
de distribuição de poros do filtro e a distância
média entre confrontos, este método de
dimensionamento é particularmente importante
para aplicação em obra ambientais, uma vez
que possibilita a avaliação e fixação do nível
de confiança de retenção de determinada
partícula. Maiores detalhes sobre o
dimensionamento e exemplos de cálculo estão
em Urashima e Vidal (1998b).
Além do dimensionamento probabilístico,
pode-se fazer-se uso de técnicas de simulação
para analisar o comportamento de sistemas
filtrantes, pois embora a simulação seja um
recurso dispendioso, situações que exijam
controle minucioso ou em algumas situações
de filtração de partículas em suspensão ela
pode ser vantajosa. Neste último caso, ela
torna possível avaliar, além da capacidade de
retenção do filtro, a variação da
permeabilidade do sistema filtro/material
retido com o tempo, de modo que o projeto
contemple a variação das perdas de carga
impostas pelo sistema ao longo de sua vida
útil, permitindo o conhecimento dos períodos
de troca ou de retrolavagem dos filtros.
6 DISCUSSÕES
O trabalho apresenta novas formas de
abordar o problema de dimensionamento de
filtros, particularmente útil no caso de
situações onde ocorram partículas em
suspensão, permitindo a previsão em projeto
do período de troca ou lavagem do filtro, uma
vez que a filtração de partículas em suspensão
tende a colmatar o filtro. Este problema torna-
se extremamente grave no caso da filtração de
partículas muito finas (argilas ou siltes) que
poderiam reduzir a permeabilidade do sistema
a ponto de necessitar manutenção muito
freqüente.
A utilização das técnicas de processamento
digital de imagens para auxílio na avaliação da
capacidade de retenção de partículas por meio
de filtros têxteis parece ser um caminho
promissor e rápido para uso em modelos de
simulação para o estudo do comportamento do
meio filtrante.
7. AGRADECIMENTOS
A Fundação de Amparo a Pesquisa do
Estado de São Paulo, FAPESP, pelo suporte
financeiro, viabilizando o andamento desta
pesquisa.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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