( PDF ) Comportamento geomecânico de resíduos sólidos urbanos

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CALLE, JOSÉ ANTONIO CANCINO

Comportamento Geomecânico de Resíduos

Sólidos Urbanos [Rio de Janeiro] 2007

XVIII, 160p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ,

D.Sc. Engenharia Civil, 2007)

Tese – Universidade Federal de Rio de

Janeiro, COPPE

1. Pré-tratamento Mecânico Biológico.

2. Resíduos Sólidos Urbanos.

3. Parâmetros de Resistência.

4. estabilidade de Taludes.

5. Retro-Análise.

I. COPPE/UFRJ II. Titulo (serie)

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iii

Dedico este trabalho aos meus pais Pepe e Luz

AGRADECIMENTOS

Gostaria de manifestar minha gratidão a todos aqueles que contribuíram para a realização deste

trabalho. Certo de estar me esquecendo de alguém, no entanto, gostaria de agradecer a algumas

pessoas em especial:

Aos meus familiares José Manuel Cancino Corrales, Luz Betzaida Calle de Cancino, Carlos Tapia

Calle e Miluzka Cancino Calle, pelo apoio irrestrito e valorização de todas as minhas iniciativas.

Aos Professores e amigos, Mauricio Ehrlich e Cláudio F. Mahler pela orientação e companheirismo ao

longo destes anos.

Aos professores do Programa de Engenharia Civil da UFRJ/COPPE pelos conhecimentos

transmitidos e pela agradável convivência.

Ao meu amigo Diógenes pelo apojo desinteressado na solução de diversos problemas durante a

pesquisa.

Aos meus amigos, Kally, Petrônio, Beatriz, Amauri, Ronaldo e muitos outros por todo o apoio e pela

convivência em todos estes anos.

A EMBRAPA pela eficiente colaboração na execução dos ensaios de Lixiviação, Solubilização e

Curva de Sucção.

A PEQ/COPPE/UFRJ, pela análise executada nos laboratórios do Nucleo de Catálise NUCAT.

Ao ITA – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, pelo apoio na execução de ensaios de cisalhamento

de grande dimensão, principalmente a professora Delma Vidal.

A empresa FABER, em especial a Soraya e Christiane quem gentilmente me apoiaram com o resíduo

utilizado e com os ensaios de campo.

Ao Município de São Sebastião, pelo apoio na execução de ensaios no aterro de São Sebastião.

Aos funcionários do Departamento de Engenharia Civil da UFRJ/COPPE, em especial a Jairo, Rita

e Betty, pela presteza e eficiência com que trataram os meus assuntos, ou melhor, problemas

acadêmicos.

Aos funcionários do Laboratório de Geotecnia da UFRJ/COPPE, em especial a Gloria, Serginho,

Carlinhos, e Mauro, pelo divertido convívio.

Ao CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, pelo apoio financeiro

desde o início do curso.

Ao PEC/PG ou Convenio de Pós-Graduação entre Peru e Brasil quem possibilitaram minha estadia e

bolsa de estudos no Brasil.

Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)

COMPORTAMENTO GEOMECÂNICO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS

José Antonio Cancino Calle

Fevereiro/2007

Orientadores: Mauricio Ehrlich

Cláudio Fernando Mahler

Programa: Engenharia Civil

Apresentam-se resultados de estudos de caracterização geomecânica efetuados

em resíduos sólidos urbanos (RSU) pré-tratados mecânico biologicamente, provenientes

de São Sebastião/SP e Novo Hamburgo/RS. Foram efetuados ensaios de resistência,

permeabilidade, compacidade, curva de sucção, capacidade de campo, lixiviação,

solubilização e caracterização em geral. Dentro do escopo da pesquisa procurou-se

avaliar a influência do plástico no comportamento mecânico do lixo. Efetuaram-se

estudos de estabilidade de taludes construídos os resíduos utilizando centrífuga

geotécnica. Ensaios triaxiais e de cisalhamento direto efetuados nos resíduos mostraram

incrementos da resistência mobilizada com a deformação. O ângulo de atrito não

apresentou mudanças relevantes com o tamanho de partículas, compactação e proporção

de fibras, já a coesão aparente sim. Retro-análises de ensaios centrífugos mostraram

resultados diversos dos encontrados através de ensaios de cisalhamento direto.

Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)

GEOMECHANICAL BEHAVIOR OF URBAN SOLID WASTE

José Antonio Cancino Calle

February/2007

Advisors: Mauricio Ehrlich

Cláudio Fernando Mahler

Department: Civil Engineering

Results of studies in pre-treated urban solid waste (USW) are shown. These

wastes are from São Sebastião/SP and Nova Hamburgo/RS and had received

mechanical and biological pre-treatment. Laboratory tests were performed, triaxial tests,

direct shear tests, permeability tests, compaction tests, suction tests, field capacity tests,

lixiviation tests, solubilization tests and geral waste characterization. One of the main

objectives of this research was to evaluate the influence of the plastic in the mechanical

behavior of the waste. Slope stability of the waste was performed using a getechnical

centrifugue. Triaxial tests and direct shear tests show increase of the mobilized

resistence with deformation. The frictional angle did not show important variations with

particles size, waste compaction and amount of fibers, but apparent cohesion does.

Retro-analysis of shear parameters determined from centrifuge tests show different

results from that one determined in the direct shear tests.

vii

INDICE DO TEXTO

INDICE

FIGURAS.................................................................................................

INDICE

TABELAS............................................................................................

XVII

Capítulo 1 – INTRODUÇÃO....................................................................................... 1

1.1 RELEVÂNCIA

ESTUDO ......................................................................... 1

1.2 OBJETIVO....................................................................................................... 2

1.3 DESCRIÇÃO

DOS

CAPÍTULOS.................................................................... 2

Capítulo 2: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.................................................................. 3

2.1 RESÍDUOS

SÓLIDOS

URBANOS

RSU ...................................................... 3

A natureza dos resíduos domiciliares....................................................................... 4

Tratamento e disposição final de resíduos sólidos domiciliares.............................. 5

2.2 PRÉ-TRATAMENTO

MECÂNICO

BIOLÓGICO

RSU .......................... 9

2.2.1 Introdução................................................................................................ 9

2.2.2 Tipos de Pré-tratamento......................................................................... 11

2.3 PROPRIEDADES

DOS

RESÍDUOS

SÓLIDOS

URBANOS........................ 17

2.3.1 Composição e granulometria................................................................. 17

2.3.2 Massa específica..................................................................................... 20

2.3.3 Umidade ................................................................................................. 22

3.3.4 Temperatura........................................................................................... 23

2.3.5 Permeabilidade....................................................................................... 23

2.3.6 Capacidade de campo............................................................................ 25

2.3.7 Características químicas........................................................................ 27

2.3.8 Características Biológicas..................................................................... 27

2.3.9 Resistência ao cisalhamento................................................................... 27

2.3.10 Análise de estabilidade de taludes de RSU............................................ 38

2.3.11 Variação da estabilidade de RSU com o tempo..................................... 40

2.3.12 Modelagem da estabilidade de depósitos de RSU.................................. 40

2.4 MODELAGEM

CENTRÍFUGA

GEOTÉCNICA................................... 50

2.4.1 Leis de escala ......................................................................................... 51

viii

2.4.2 Análise linear.......................................................................................... 56

2.4.3 Erros na modelagem centrífuga............................................................. 61

2.4.4 Estudos de modelos centrífugos............................................................. 67

Capítulo 3: MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................... 75

3.1 R

ESÍDUOS UTILIZADOS

..................................................................................... 75

3.2

NSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA

................................................... 82

3.2.1 Distribuição gravimétrica de materiais do RSU.................................... 83

3.2.2 Granulometria........................................................................................ 83

3.2.3 Massa específica real dos grãos

......................................................... 83

3.2.4 Massa específica e umidade................................................................... 83

3.2.5 Lixiviação e solubilização...................................................................... 84

3.2.6 Curva de sucção..................................................................................... 84

3.2.7 Carbono orgânico .................................................................................. 85

3.2.8 Análise Microbiológica.......................................................................... 87

3.2.9 Coliformes totais e fecais....................................................................... 87

3.2.10 Análise mineralógica.............................................................................. 87

3.2.11 Infravermelho......................................................................................... 87

3.2.12 Permeabilidade....................................................................................... 88

3.2.13 Ensaio de compactação.......................................................................... 88

3.2.14 Capacidade de Campo ........................................................................... 88

3.2.15 Ensaios triaxiais..................................................................................... 89

3.2.16 Ensaio de cisalhamento direto ............................................................... 91

3.3

NSAIOS EM CENTRÍFUGA GEOTÉCNICA

........................................................... 94

3.3.1 Introdução.............................................................................................. 94

3.3.2 Situação atual do equipamento.............................................................. 94

3.3.3 Metodologia de ensaio ........................................................................... 95

Capítulo 4: APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS................. 104

4.1 E

NSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA

................................................. 104

4.1.1 Distribuição gravimétrica dos componentes do RSU........................... 104

4.1.2 Granulometria...................................................................................... 106

4.1.3 Massa específica dos grãos,

............................................................. 108

4.1.4 Massa específica e umidade................................................................. 108

4.1.5 Lixiviação e solubilização.................................................................... 109

4.1.6 Curva de sucção................................................................................... 110

4.1.7 Carbono orgânico. ............................................................................... 111

4.1.8 Análise Microbiológica........................................................................ 112

4.1.9 Coliformes totais e fecais..................................................................... 112

4.1.10 Análise mineralógico e Infravermelho................................................. 113

4.1.11 Concentração de nutrientes.................................................................. 114

4.1.12 Permeabilidade..................................................................................... 114

4.1.13 Ensaio de compactação........................................................................ 115

4.1.14 Capacidade de Campo ......................................................................... 115

4.1.15 Ensaios triaxiais no resíduo de São Sebastião..................................... 116

4.1.16 Ensaios de cisalhamento direto............................................................ 121

4.2

ETRO

ANÁLISE DOS ENSAIOS CENTRÍFUGOS

................................................ 131

Capítulo 5: CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS..... 137

5.1 CONCLUSÕES............................................................................................ 137

5.2 SUGESTÕES

PARA

FUTURAS

PESQUISAS........................................... 141

BIBLIOGRAFIA...................................................................................................... 142

APÊNDICE .............................................................................................................. 155

OTOS RELATIVAS AOS ENSAIOS PRELIMINARES NA CENTRÍFUGA

.................. 155

OTOS RELATIVAS AOS ENSAIOS ADICIONAIS NA CENTRÍFUGA

....................... 158

INDICE DE FIGURAS

Figura 2.1. Esquema operacional do sistema FABER AMBRA (Faber Ambra

Recycling, 1999)......................................................................................................... 13

Figura 2.2. Esquema operacional do sistema LINKENBACH (Fricke et al, 1995)... 14

Figura 2.3. Esquema operacional do sistema KIRCHDORF (Fricke et al, 1995)...... 15

Figura 2.4. Esquema operacional do sistema KIRCHDORF (Fricke et al, 1995)...... 15

Figura 2.5. Esquema operacional do sistema BASSUM (Fricke et al, 1995). ........... 16

Figura 2.6. Classificação do RSU pela carta de Schmertman (Palma, 1995)............. 18

Figura 2.7. Classificação do RSU através do CPT (Manassero et al, 1997). ............. 18

Figura 2.8. Classificação pelo Diagrama Triangular (Grisolia et al, 1995a).............. 19

Figura 2.9. Distribuição granulométrica (ampliado de Jessberger, 1994).................. 19

Figura 2.10. Perfil de Massa Específica para RSU não pré-tratado (Modificado de

Mannasero et al, 1997). .............................................................................................. 21

Figura 2.11. Envoltória de resistência ao cisalhamento (Kavazanjian, 2001)............ 29

Figura 2.12. Parâmetros de resistência obtidos por retro-análise (Singh & Murphy,

1990)........................................................................................................................... 31

Figura 2.13. Relação ângulo de atrito e coesão vs deformação (Kockel & Jessberger,

1995)........................................................................................................................... 31

Figura 2.14. Envoltórias de resistência de RSU com idades entre 1 e 3 anos

(Jessberger et al, 1995)............................................................................................... 32

Figura 2.15. Envoltória de resistência de ruptura para diferentes materiais (Manassero

et al, 1996).................................................................................................................. 32

Figura 2.16. Parâmetros de Resistência de RSU (Ampliado de Sanchez et al, 1993).33

Figura 2.17. Características do comportamento cisalhante do modelo de RSU Kolsch

(1993).......................................................................................................................... 34

Figura 2.18. Modelo de interação entre forças de tensão e atrito do resíduo (Kolsch,

1995)........................................................................................................................... 35

Figura 2.19. Modelo do incremento da resistência ao cisalhamento total pelas forças

de tensão (Kolsch, 1995). ........................................................................................... 35

Figura 2.20. Modelo de Resistência de RSU (apud Kolsch, 1996)............................ 36

Figura 2.21. Ensaio de tração (Ziehmann, 2001). ...................................................... 37

Figura 2.22. Definições para as propriedades de tensão (Kolsch, 1996).................... 41

Figura 2.23. Sistema de equilibro num elemento reforçado (Apud Kolsch, 1996 e

2004)........................................................................................................................... 41

Figura 2.24. Taludes reforçados. ................................................................................ 43

Figura 2.25. Variação da resistência à tração com a tensão normal para diferentes

RSU (Kolsch,1996). ................................................................................................... 45

Figura 2.26. Tensões atuantes no colapso em um ensaio de cisalhamento direto: (a)

Plano de ruptura, (b) Circulo de Mohr e (c) Direção das tensões principais e planos de

ruptura......................................................................................................................... 47

Figura 2.27. Direção do reforço para φ=30°............................................................... 49

Figura 3.28. Direção da deformação principal menor em relação aos reforços. ........ 49

Figura 2.29. Equilibrio limite de um talude de solo reforçado numa superfície de

ruptura circular. .......................................................................................................... 53

Figura 2.30. Análise escalar entre o reforço do modelo e o protótipo (Apud Zornberg

et al, 1995).................................................................................................................. 56

Figura 2.31. Tensões inerciais do modelo centrífugo induzidos pela rotação (Apud

Gurung 1996).............................................................................................................. 56

Figura 2.32. Comparação da variação de tensões com a profundidade do modelo e do

protótipo (apud Gurung 1996).................................................................................... 60

Figura 2.33. Efeito da rugosidade normalizada na interface de resistência ao

cisalhamento t

observada em ensaios de arrancamento modelados em centrífuga

(Garnier & Konig 1998). ............................................................................................ 63

Figura 2.34. Evolução do atrito de pico na interface com rugosidade normalizada... 63

xii

Figura 2.35. Estimação do atrito entre o solo e as paredes da caixa. ......................... 64

Figura 2.36. Principio Modelagem do modelo (Apud Ko 1988)................................ 68

Figura 2.37. Ensaios centrífugos de aterros sobre solos moles (Almeida et al, 1985).

.................................................................................................................................... 70

Figura 2.38. Perfil de um modelo típico antes e depois da ruptura (Porbaha &

Goodings, 1996). ........................................................................................................ 71

Figura 2.39. Esquema da preparação do modelo ensaiado (Jessbeger & Kockel,

1993)........................................................................................................................... 72

Figura 2.40. Vista do modelo B18 após o ensaio na centrífuga (Zornberg et al, 1995).

.................................................................................................................................... 72

Figura 2.41. Superfície de ruptura de um dique, com coordenadas em cm (Allersma et

al, 2002)...................................................................................................................... 73

Figura 2.42. Teste muro fixo (Syllwasschy & Jessberger, 1998)............................... 74

Figura 2.43. Comparação do resíduo original e do modelo (Syllwasschy & Jessberger,

1998)........................................................................................................................... 74

Figura 3.1. Vista aérea do aterro de São Sebastião. ................................................... 76

Figura 3.2. Corte vertical de talude superior a 3 m de altura. .................................... 76

Figura 3.3. Detalhes do aterro de São Sebastião. ....................................................... 76

Figura 3.4. Leira em construção. ................................................................................ 77

Figura 3.5. Detalhe trituração e homogeneização do resíduo no interior de um

caminhão..................................................................................................................... 77

Figura 3.6. Leira de São Sebastião. ............................................................................ 78

Figura 3.7. Central de reciclagem e compostagem de RSU – Novo Hamburgo. ....... 79

Figura 3.8. Materiais reciclados. ................................................................................ 80

Figura 3.9. Pacotes de metais, PET e papelão............................................................ 80

Figura 3.10. Fase Biológica: a) Orgânicos b) Baia e c) colocação do resíduo........... 81

Figura 3.11. Fase Biológica: a) Saturação b) Baia coberta e c)aeração. ................... 81

Figura 3.12. Peneiramento do resíduo estabilizado.................................................... 82

xiii

Figura 3.13. Preparação para ensaio triaxial............................................................... 89

Figura 3.14. Corpo de prova pronto para ensaio triaxial............................................ 90

Figura 3.15. Ensaio triaxial aplicando vácuo. ............................................................ 90

Figura 3.16. Ensaio de cisalhamento – Adição de plástico no resíduo triturado........ 91

Figura 3.17. Ensaios de grande dimensão no ITA – Aparelhos calibrados................ 93

Figura 3.18. Ensaios de grande dimensão no ITA – Caixa. ....................................... 93

Figura 3.19. Centrífuga UFRJ. ................................................................................... 95

Figura 3.20. Caixa utilizada na modelagem. .............................................................. 96

Figura 3.21 Canais verticais de reforço...................................................................... 96

Figura 3.22. Partes adicionais da caixa....................................................................... 97

Figura 3.23. União de aço de lâmina metálica com atuador radial. ........................... 99

Figura 3.24. Atuador radial e lâmina........................................................................ 100

Figura 3.25. Partes principais dos ensaios preliminares........................................... 100

Figura 3.26. Ruptura do talude na centrífugação...................................................... 101

Figura 3.27. Montagem do talude............................................................................. 102

Figura 3.28. Ruptura do talude na centrífugação...................................................... 103

Figura 3.29. Malha padrão........................................................................................ 103

Figura 4.1. Gravimetria dos componentes São Sebastião – antes pré-tratamento.... 104

Figura 4.2. Gravimetria dos componentes São Sebastião – depois pré-tratamento. 104

Figura 4.3. Comparação gravimétrica de aterros sanitários de Brasil...................... 105

Figura 4.4. Gravimetria dos componentes São Sebastião (Pré-tratado)................... 106

Figura 4.5. Gravimetria dos componentes Novo Hamburgo (Pré-tratado). ............. 106

Figura 4.6. Granulometria da fração fina menor a 50,8mm. .................................... 107

Figura 4.7. Granulometria RSU pré-tratado São Sebastião vs RSU não pré-tratado

Manassero et al (1996) e Jessberger (1994). ............................................................ 107

Figura 4.8. Granulometria Resíduo pré -tratado e não triturado de São Sebastião. . 108

xiv

Figura 4.9. Ensaio de solubilização.......................................................................... 110

Figura 4.10. Curva de sucção da parte fina. ............................................................. 111

Figura 4.11. Ensaio de papel filtro. .......................................................................... 111

Figura 4.12. Mineralogia areia RSU em São Sebastião e Novo Hamburgo............. 114

Figura 4.13. Ensaio de Compactação. ...................................................................... 115

Figura 4.14. Curvas tensão deformação. .................................................................. 117

Figura 4.15. Curvas tensão deformação – baixas tensões. ....................................... 118

Figura 4.16. Curva deformação axial versus deformação radial. ............................. 118

Figura 4.17. Envoltória tensão deformação – baixas tensões................................... 119

Figura 4.18. Envoltória de Resistência para RSU passante peneira 9,50 mm.......... 120

Figura 4.19. Envoltória de Resistência para RSU passante peneira 19 mm............. 120

Figura 4.20. Parâmetros de resistência (RSU de São Sebastião).............................. 121

Figura 4.21. Ensaios cisalhamento direto amostra 6x6, material fofo, passante na

peneira 2mm. ............................................................................................................ 122

Figura 4.22. Ensaios cisalhamento direto amostra 6x6, material fofo, passante na

peneira 9,50mm. ....................................................................................................... 123

Figura 4.23. Ensaios cisalhamento direto amostra 40x25, passante na peneira

19,0mm..................................................................................................................... 123

Figura 4.24. Ensaios cisalhamento direto amostra 6x6, material compacto, passante

na peneira 9,50mm. .................................................................................................. 123

Figura 4.25. Resistência para 14 e 20% de deformação horizontal, material fofo... 124

Figura 4.26. Resistência para 14 e 20% de deformação horizontal, material compacto.

.................................................................................................................................. 124

Figura 4.27. Ensaios cisalhamento direto amostra 6x6, resíduo triturado de São

Sebastião................................................................................................................... 125

Figura 4.28. Ensaios cisalhamento direto amostra 6x6, resíduo triturado fofo com

adição de plástico (São Sebastião)............................................................................ 125

Figura 4.29. Comparação de parâmetros de resistência do resíduo de São Sebastião

sob diferentes condições........................................................................................... 126

Figura 4.30. Comparação de parâmetros de resistência com a variação da adição de

plástico no resíduo triturado São Sebastião.............................................................. 126

Figura 4.31. Comparações de parâmetros de resistência do resíduo de Novo

Hamburgo sob diferentes condições......................................................................... 126

Figura 4.32. Curva Tensão-deformação antes e depois da trituração - Resíduo fofo

São Sebastião............................................................................................................ 128

Figura 4.33. Curva Tensão-deformação antes e depois da trituração - Resíduo

compacto São Sebastião. .......................................................................................... 128

Figura 4.34. Análise Tensão-deformação - Resíduo triturado sem adição de fibras.129

Figura 4.35. Curva Tensão-deformação - Resíduo triturado com adição de fibras.. 129

Figura 4.36. Curva de resistência - Resíduo triturado sem adição de fibras. ........... 129

Figura 4.37. Curva de resistência - Resíduo triturado com adição de fibras............ 130

Figura 4.38. Curvas de resistência para ε=8% – ensaios adicionais......................... 130

Figura 4.39. Análise de ruptura. ............................................................................... 131

Figura 4.40. Análise de ruptura - modelo...................................................... . . . . . . . . . . ..se e .............

xvii

INDICE DE TABELAS

Tabela 2.1. Gravimetria dos componentes de Resíduos Sólidos Urbanos. [Manacero

et al (1997), Jasem (2002), Barros et al (2000), Rodriguez & Velandia (2002),

Junqueira (2000), Machado & Vilar (2000), Monteiro et al (2001), de Melo & Juca

(2001), Ogwueleka (2003)]. ....................................................................................... 17

Tabela 2.2. Massas específicas de alguns aterros de RSU não pré-tratados

(Modificado de Marques, 2001). ................................................................................ 20

Tabela 2.3. Permeabilidade de Aterros Sanitários (ampliada de Kaimoto & Cepollina,

1997 e Manassero et al, 1997).................................................................................... 24

Tabela 2.4. Valores de capacidade de Campo de RSU (adaptado de McBean et al,

1995)........................................................................................................................... 26

Tabela 2.5. Parâmetros de Resistência de resíduos (Turczynski 1988)...................... 30

Tabela 2.6. Parâmetros de resistência (Reutner 1995). .............................................. 30

Tabela 2.7. Parâmetros de Resistência. ...................................................................... 33

Tabela 2.8. Altura crítica de taludes verticais de RSU............................................... 46

Tabela 2.9. Ângulos de inclinação de taludes, β

, nos quais se tem a condição limite

de eficiência do reforço. ............................................................................................. 50

Tabela 2.10. Resumo de Leis de escala na modelagem (Apud Scott & Morgan, 1977;

Barker, 1998; Gurung, 1996 e Taylor, 1995). ............................................................ 55

Tabela 2.11. Fatores de escala para parâmetros utilizados na modelagem centrífuga

de estruturas em solo reforçado (Zornberg et al, 1995).............................................. 55

Tabela 3.1. Resumo Ensaios de cisalhamento efetuados............................................ 94

Tabela 3.2. Ensaios preliminares na centrifuga com RSU triturado seco ao ar. ...... 101

Tabela 3.3. Ensaios adicionais na centrifuga com RSU triturado seco ao ar. .......... 102

Tabela 4.1. Massa específica dos grãos (RSU Pré-tratado)...................................... 108

Tabela 4.2. Resultados dos ensaios de Lixiviação e Solubilização.......................... 109

xviii

Tabela 4.3. Parâmetros da equação de Van Genutchen............................................ 110

Tabela 4.4. Carbono orgânico................................................................................... 112

Tabela 4.5. Análise de Coliformes Totais e Fecais. ................................................. 112

Tabela 4.6. Concentração de Nutrientes................................................................... 114

Tabela 4.7. Resultados de capacidade de campo efetuados com o Percâmetro (aterros

de São Sebastião)...................................................................................................... 115

Tabela 4.8. Resultado dos ensaios em centrífuga (aterro de São Sebastião)............ 133

Tabela 4.9. Parâmetros de resistência retro-análise - São Sebastião........................ 135

1.1 RELEVÂNCIA DO ESTUDO

Em países em desenvolvimento, onde existe uma grande superfície territorial como o

Brasil, aterros sanitários podem ser ferramentas úteis na disposição de Resíduos Sólidos

Urbanos. Quando feitos seguindo critérios geotécnicos adequados, são formas de

disposição seguras e podem também ser utilizados na geração de energia elétrica,

composto, etc. No entanto, o passivo ambiental produzido pelos aterros de Resíduos

Urbanos pode durar centenas de anos e por este motivo vem-se pesquisando métodos de

minimização do problema. Esse tipo de estudo vem de longa data em países

desenvolvidos, mas é relativamente recente no Brasil. Processos como compostagem,

pré-tratamento mecânico biológico e incineração são metodologias que vêm sendo

utilizadas em menor escala ainda, mas que no futuro com certeza serão mais adotados

no país.

Um processo de estabilização mecânico-biológico de resíduos urbanos, originário da

Alemanha (Spillmann e Colins, 1982), vem sendo empregado nas cidades de São

Sebastião, no litoral do estado de São Paulo e Blumenau, em Santa Catarina. Em Novo

Hamburgo (Rio Grande do Sul) outro processo de estabilização vem sendo empregado,

mais semelhante a uma compostagem.

Em projeto faz-se necessário o conhecimento do comportamento geotécnico dos aterros.

Na ausência de informação específica, em geral, no Brasil tem-se utilizado parâmetros

geotécnicos publicados na literatura internacional, buscando responder problemas

diversos como estabilidade de taludes, deformabilidade, permeabilidade, etc.

Tem-se nesse estudo uma contribuição ao comportamento geomecânico de resíduos

estabilizados. Apresenta-se a caracterização geotécnica detalhada dos aterros de São

Sebastião e Novo Hamburgo. Serão apontadas também algumas deficiências ainda

existentes nos processos que vêm sendo aplicados.

A presente pesquisa avalia a estabilidade de taludes construídos de resíduos pré-tratados

mecânico biologicamente utilizando entre outras ferramentas uma centrífuga

geotécnica. Dentro do escopo da pesquisa, buscou-se avaliar a influência do plástico no

Capítulo 1 – INTRODUÇÃO

comportamento mecânico do lixo. Pela primeira vez centrífugas geotécnicas foram

utilizadas no estudo do comportamento de resíduos sólidos urbanos no Brasil.

1.2 OBJETIVO

A presente pesquisa teve por objetivo o estudo do comportamento geomecânico de

resíduos sólidos urbanos pré-tratados mecânico biologicamente. Buscou-se entre outros

aspectos uma melhor compreensão do comportamento tensão deformação e resistência

dos resíduos.

Buscou-se explicitar a importância do efeito fibra promovido pelos plásticos, madeira,

etc. no comportamento. Para tal entre outras ferramentas foram efetuados estudos em

centrífuga geotécnica.

1.3 DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS

A estrutura da tese foi dividida em seis capítulos.

No primeiro apresenta-se a relevância do estudo e o detalhamento dos objetivos da tese.

No segundo capítulo desenvolve-se uma revisão bibliográfica sobre o tema em estudo.

Abordam-se, de maneira geral, aspectos referentes a Resíduos Sólidos Urbanos, sua

natureza, tratamento e disposição final. Discutem-se aspectos relevantes ao pré-

tratamento mecânico biológico de Resíduos Sólidos Urbanos. Apresentam-se

propriedades de resíduos sólidos urbanos tais como: composição e granulometria, massa

específica, umidade, temperatura, permeabilidade, capacidade de campo, características

químicas e biológicas e parâmetros de resistência. Finalmente desenvolvem-se

sucintamente aspectos relacionados a estudos centrífugos e apresentam-se alguns

trabalhos encontrados na literatura relacionados à pesquisa.

O terceiro capítulo mostra os materiais e métodos utilizados. São descritos os resíduos

utilizados, métodos e procedimentos adotados na caracterização, os estudos de

resistência e em centrífuga.

No quarto capítulo apresentam-se os resultados e análise dos mesmos.

O quinto capítulo mostra as conclusões da tese e algumas sugestões para futuras

pesquisas.

2.1 RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS - RSU

O RSU, assim como o solo, é um material não contínuo que geralmente é modelado

com base nos princípios da mecânica de solos convencional. No entanto, há certas

hipóteses implícitas em muitos dos modelos tradicionalmente utilizados na mecânica de

solos (ex. a não compressibilidade da partícula) que não podem ser aplicadas aos RSU.

A constituição do RSU é variável. Antigamente, as comunidades eram menores e a

quantidade e a composição dos resíduos não traziam tanta preocupação, pois sua

constituição química era predominantemente orgânica e biodegradável. Nos dias atuais

são produzidos em grandes quantidades e com composição variada, não podendo ser

mais abandonados ao ar livre sem tratamento prévio (Gonçalves, 1997).

O RSU além de variar em sua constituição, pode variar enormemente ao longo do

tempo. Antes de 1965 não havia plástico no lixo brasileiro. O plástico surge

aproximadamente no final dos anos 60. Atualmente sua participação na massa do lixo é

extremamente significativa e não pode deixar de ser considerada na avaliação dos

diversos parâmetros geotécnicos dos RSU.

Uma característica própria dos países em desenvolvimento, como o Brasil, é a adoção

como sistema de disposição de lixo dos chamados lixões (sem critério geotécnico e

ambiental). Dentre os inúmeros problemas resultantes dessa prática obsoleta de dispor

resíduos a céu aberto, pode-se citar:

• Contaminação causada pelo chorume que pode atingir o solo e as águas superficiais

e sub-superficiais. Na água o lixo pode provocar poluição física (aumento de

turbidez, alteração de temperatura), poluição química (mudança de coloração e

acidificação), poluição bioquímica (mau cheiro, alteração no pH e oxigênio

dissolvido) e poluição biológica (presença de coliformes fecais);

• Gases resultantes da decomposição anaeróbia da matéria orgânica (CH

S) que contribuem para o efeito estufa e podem causar dano à saúde humana;

• Desperdício de material reciclável;

Capítulo 2: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

• Desvalorização de espaços urbanos para a localização dos lixões, que quase sempre

são instalados nas periferias das cidades mais carentes e vulneráveis às

conseqüências da degradação ambiental;

• Proliferação de insetos e agentes patogênicos.

A natureza dos resíduos domiciliares

A Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT define o lixo como os “restos das

atividades humanas, consideradas pelos geradores como inúteis, indesejáveis ou

descartáveis, podendo-se apresentar no estado sólido, semi-sólido ou líquido, desde que

não seja passível de tratamento convencional”.

Segundo Landva & Clark (1990) e Grisolia et al, (1995a), diferentes tipos de partículas

podem se apresentar nos RSU e são classificadas convencionalmente como segue:

 Classe A: Materiais estáveis inertes;

 Classe B: Materiais que podem variar sua forma inicial, reduzindo seu tamanho.

Incluem:

 Partículas esmagáveis ou quebráveis (latas e garrafas) as quais podem liberar

líquido ou gás retido, resultando numa aparente diminuição no volume ocupado

pela fase sólida após a quebra;

 Partículas compressíveis, dobráveis, deformáveis que variam sua forma com o

incremento de pressão;

 Classe C: Materiais degradáveis, os quais como resultado da sua decomposição

variam de sua estrutura inicial sólida a compostos líquidos ou gases. Aqui se pode

incluir materiais quimicamente reativos ou biodegradáveis.

Alguns materiais convencionalmente considerados como classe B (papel, trapos, entre

outros) podem absorver água alterando o balanço entre a água livre ou retida, o que

pode resultar também na variação da rigidez das partículas. Estas partículas podem atuar

como reforço aumentando a resistência ao cisalhamento do resíduo (plástico, madeira,

etc.).

Segundo Manassero et al (1996) é a fase sólida que proporciona as maiores diferenças

entre os RSU e os solos. A fase líquida dos resíduos compreende água e lixiviado, e a

fase gasosa é constituída pelo ar e pelos gases formados durante a decomposição dos

materiais biodegradáveis.

Uma outra classificação segundo a Norma ABNT NBR 20004 seria:

• Classe I – Perigosos. Aqueles que, em função de suas características intrínsecas de

inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxicidade ou patogenicidade,

apresentam riscos à saúde pública e meio ambiente;

• Classe II – Não perigosos;

• Classe IIA – Não inertes. Resíduos que podem apresentar características de

combustibilidade, biodegradabilidade ou solubilidade, com possibilidade de

acarretar riscos à saúde ou ao meio ambiente. Não é perigoso nem inerte;

• Classe IIB – Inertes.

Grisolia & Napoleoni (1996) descreveram um modelo didático para as variações

observadas em amostras de RSU ao longo do tempo, sob a ação de uma tensão vertical

inicial. Os autores propuseram que, num estágio inicial, somente alguns pontos dos

chamados “materiais inertes estáveis” estão em contato. Os elementos deformáveis do

resíduo sólido, sob a ação de uma sobrecarga, causam um acentuado e acelerado

decréscimo no volume total da amostra de RSU, e assim, um maior contato entre os

materiais inertes estáveis. Ao final do processo de decomposição, os materiais

degradáveis terão se transformado em inertes e se concentrarão em um volume bem

menor. Neste estágio, é principalmente a presença dos materiais compressíveis que

ainda faz diferencia para os solos. Estes matérias compressíveis, após as deformações

sofridas, acabam gerando uma estrutura de reforço à tração, proporcionando um

comportamento similar ao solo reforçado (Cowland et al 1993).

Tratamento e disposição final de resíduos sólidos domiciliares

a) Conceituação

Define-se tratamento como uma série de procedimentos destinados a reduzir a

quantidade ou o potencial poluidor dos resíduos sólidos, seja impedindo o descarte de

lixo em ambiente ou local inadequado, seja transformando-o em material inerte ou

biologicamente estável.

b) Tratamento e disposição

O tratamento mais eficaz começa no local onde foi gerado o resíduo, onde este deveria

ser separado para posterior reciclagem, evitando o desperdício e facilitando seu futuro

tratamento.

Além desses procedimentos prévios no local de origem quando de sua ausência, existem

procedimentos físicos e biológicos que objetivam estimular a atividade dos

microorganismos que atacam os resíduos, decompondo a matéria orgânica e reduzindo a

poluição.

Os métodos mais usados no tratamento e disposição de resíduos são os aterros

sanitários, compostagem, reciclagem e incineração.

Triagem

Consiste na primeira fase em separar os diversos materiais do lixo (papel, plástico, vidro

e metais) com a finalidade de trazê-los de volta à indústria para seu reuso. O ideal é

fazer a triagem em cada casa ou local de origem.

Os resíduos da reciclagem, se matéria orgânica, são transformados em composto

podendo ser empregados na proteção de aterros, como adubo na agricultura, etc.

Uma usina de preparo para reciclagem apresenta três fases de operação (Monteiro,

2001):

• Recepção. Aferição do peso ou volume por meio de balança ou cálculo estimativo e,

armazenamento em silos ou depósitos adequados com capacidade para o

processamento de, pelo menos, um dia;

• Alimentação. Carregamento na linha de processamento, por meio de máquinas, tais

como pás carregadeiras, pontes rolantes, pólipos e braço hidráulico;

• Triagem. Dosagem do fluxo de lixo nas linhas de triagem e processos de separação

de recicláveis por tipo.

Compostagem

É o processo natural de decomposição biológica de materiais orgânicos (aqueles que

possuem carbono em sua estrutura), de origem animal e vegetal, pela ação de

microorganismos. Para que ele ocorra, não é necessária a adição de qualquer

componente físico ou químico à massa do lixo.

A decomposição pode acontecer em forma aeróbia ou anaeróbia. Na forma anaeróbia os

microorganismos se desenvolvem sem presença de oxigênio. A decomposição acontece

a baixa temperatura, com exalação de fortes odores (H

S) e com mais tempo para

estabilização do resíduo. Na forma aeróbia ou com presença de oxigênio (apropriada

para resíduos urbanos), a temperatura pode chegar a 70

C, os odores emanados não são

desagradáveis e a decomposição é mais rápida.

Esta decomposição faz com que o tamanho dos poros decresça reduzindo o fluxo de

líquidos ou gases. A reação bioquímica influência a relação água-resíduo de muitas

formas. Em primeiro lugar, esta degradação promove o recalque reduzindo a porosidade

e em segundo lugar, caso o processo se torne anaeróbio, a atividade biológica produz

gás, principalmente CH

e CO

O produto da compostagem pode ser utilizado como fertilizante por ser rico em húmus e

nutrientes minerais.

Incineração

A incineração é a queima de materiais em alta temperatura (geralmente acima de

900°C), em mistura com uma quantidade apropriada de ar e durante um tempo pré-

determinado. No caso do lixo, os elementos resultantes da incineração são normalmente,

gases como o dióxido de carbono, dióxido de enxofre, nitrogênio, gás inerte que provêm

do ar utilizado como fonte de oxigênio e do próprio lixo; oxigênio proveniente do ar em

excesso que não consegue ser completamente queimado, água, cinza e escórias que se

constituem de metais ferrosos e inertes como vidros e pedras.

A incineração tem a vantagem de resolver objetivamente o problema da escassez de

áreas para os depósitos, através de uma combustão controlada. No entanto, sempre

haverá resíduos a serem encaminhados a aterros, podendo chegar a valores em torno de

20% do peso inicial (Monteiro, 2001). Não se pode esquecer que a incineração também

apresenta outras vantagens como a redução de periculosidade do lixo, exemplo no caso

do lixo hospitalar, e a possibilidade de recuperar, com um sistema bem elaborado, parte

da energia que foi consumida.

Com relação às desvantagens, a incineração é um dos tratamentos de resíduos que

apresenta custos mais elevados, tanto no investimento inicial quanto no custo

operacional. A necessidade de uma mão-de-obra qualificada para a supervisão e

operação dos incineradores e o surgimento de possíveis problemas no manuseio dos

resíduos devido à sua variabilidade de composição, que exigem uma manutenção mais

intensa, são os principais fatores que contribuem para os custos se apresentarem de

forma elevada, muito embora os mesmos venham decrescendo ao longo do tempo. Os

controles de emissão de componentes da classe das toxinas e furanos que

potencialmente poderiam ser lançados na atmosfera também são fatores que levam ao

encarecimento da operação deste sistema. Um incinerador para ser operado sem

provocar agressões ao meio ambiente, necessita que sejam empregados precipitadores

de partículas, filtros eletrostáticos, lavadores de gases e outros (IPT, 2000).

Aterros urbanos

Os aterros podem se classificar de acordo com o tipo de disposição final utilizada, como

segue:

• Lixões. Forma irresponsável de jogar o lixo sobre um local qualquer sem nenhum

tipo de controle contra poluição ou contaminação;

• Aterros controlados. Esta forma de disposição produz em forma geral, poluição

localizada, não dispõe de impermeabilização da base, nem sistema de tratamento de

chorume ou de dispersão dos gases gerados (IPT, 2000);

• Aterros sanitários. Forma de disposição de RSU que obedece a critérios de

engenharia e normas operacionais específicas, permitindo o confinamento seguro

em termos de controle de poluição ambiental e proteção à saúde publica (ABNT,

1984).

Segundo Lima (1995), aterro sanitário é o método mais econômico de disposição de

resíduos. Possuindo além de baixo custo, a possibilidade de receber grandes quantidades

de resíduos sem poluir ou contaminar o subsolo ou ar.

Segundo Leite (1991), aterro sanitário é o método de disposição mais difundido em todo

o mundo. Hoje, dentro das soluções de adequado padrão, o aterro sanitário é o principal

sistema de destino final dos resíduos sólidos domésticos no Brasil como meta.

É comum o equívoco, na definição dos termos aterros sanitários, lixões ou depósitos de

resíduos. Segundo Leite (1991), nos lixões ou depósitos estão ausentes os critérios

científicos ou ambientais de disposição do resíduo e, por isso são criticados pelo ponto

de vista sanitário. Já o aterro sanitário, deve ser executado de tal forma que não

comprometa a qualidade das águas sub-superficiais e do solo. Assim, deve conter:

• Conjunto de células recobertas, diariamente, por uma camada de solo para evitar a

proliferação de vetores e espalhamento de papéis e poeira, pelo vento;

• Sistema de drenagem de gás e de líquido percolado;

• Sistema de tratamento dos líquidos percolados;

• Sistema de drenagem de águas superficiais e nascentes.

Os resíduos destinados aos aterros sanitários, geralmente, são constituídos por uma

parcela considerável de materiais facilmente ou moderadamente degradáveis, que

sofrem, portanto, processos de transformação físico-química e biológica decorrentes

primeiramente da decomposição da matéria orgânica, da qual resulta a produção de

chorume e gás. Os principais gases gerados são o metano e o dióxido de carbono, sendo

que o metano corresponde aproximadamente a 60% do total produzido. O gás metano é

inflamável quando misturado com oxigênio na proporção de 10 a 15% (Monteiro 2001).

O líquido percolado do aterro sanitário, freqüentemente denominado de chorume,

apresenta elevadas concentrações de espécies químicas que podem se infiltrar no solo e

vir a poluir e contaminar as águas subterrâneas e superficiais.

Os resíduos urbanos, por sua composição, variam no tempo apresentando novos

produtos em sua constituição. A degradação da matéria orgânica pode ocorrer em forma

aeróbia ou anaeróbia, sendo o processo aeróbio mais rápido. Ambos os processos

acontecem num aterro sanitário, inicialmente o aeróbio e depois o anaeróbio.

2.2 PRÉ-TRATAMENTO MECÂNICO BIOLÓGICO DE RSU

2.2.1 Introdução

Os RSU colocados livremente em lixões representam um passivo ambiental

gerencialmente caro para as futuras gerações. Já os aterros urbanos dispostos segundo

critérios geotécnicos sem pré-tratamento prévio, em países em desenvolvimento como

Brasil, resultam numa ferramenta econômica e fundamental com redução do passivo

ambiental provocado por estes materiais.

Em alguns países desenvolvidos como a Alemanha é obrigatório no presente executar

algum tipo de pré-tratamento (Munnich et al, 2006). Considera-se que o pré-tratamento

prévio à disposição dos aterros é fundamental na inertização dos mesmos. No Brasil, em

linhas gerais, os resíduos ainda não recebem pré-tratamento. No entanto, experiências

do Brasil em pré-tratamento de RSU foram conduzidos a partir dos anos setenta na

forma de compostagem (Kiehl, 1998). Pereira (1996), em Mahler (2002), estudou a

viabilidade do processo mecânico biológico aeróbio com ventilação forçada. Mahler

(2002) e Munnich et al (2001) descreveram experiências com variações do processo de

chaminé do pré-tratamento mecânico biológico aeróbio de RSU. Hoje duas variações do

processo de chaminé estão sendo utilizadas no Brasil, AMBRA em São Sebastião e

DEGEMA em Novo H54 0 Td(r)Tj3.96234 0 Td(o)Tj6.0032432 0 Td(N)Tj8.5.40319 0 Td(o)Tj6T32432 0 Td(N)Tj8.6451 0 Td(o)Tj6.00354 0 Td(v)Tj6.003Td(N)Tj8.6451 0 Td(o)Tj6.00354 0 Td(v)Tj6.00354 0 Td(o)Tj6.00354 Tj4.68276 0 Td(Tj6.00354 0 Td(a)Tj5.28312 0 Td(s)Tj 0 Td3````````````````````````````````````````35``````````````````````````````````````````````````````o)Tj6.00354 Tj4.68 0 Td( )Tj5.28312 0 Td(t)Tj3.36198 0 Td(o)Tj6.00354 0 Td(.)Tj3.00177 0 Td( )Tj4.44262 0 Td(N)Tj8.6451 0 Td(o)Tj6.00354 0 Tds

Para isto, o lixo resultante da fase mecânica é disposto formando pilhas que podem

permanecer estáticas ou serem revolvidas a cada período de tempo. Nestas pilhas pode

se aplicar o processo de forma aeróbia ou anaeróbia.

Na forma aeróbia, a matéria orgânica é degradada pela liberação de calor que a

transforma em CO

, água e biomassa. A ventilação utilizada pode ser apenas a natural,

podendo-se utilizar dispositivos especiais semelhantes a uma chaminé, que permitem

uma troca de energia entre a massa de resíduo da leira e o meio ambiente. Na massa de

resíduo, durante o processo de degradação há uma produção de microorganismos

acelerada pela presença de oxigênio em abundância. Isto provoca uma elevação da

temperatura. A busca de equilíbrio provoca o fluxo praticamente espontâneo de ar na

leira. É importante observar que para obter uma rápida e eficiente degradação do

resíduo deve-se manter uma determinada umidade específica, a qual pode ser garantida

irrigando periodicamente a leira e/ou revolvendo os resíduos de tempo em tempo.

No processo anaeróbio, ocorre a exclusão do oxigênio e os resíduos orgânicos podem

ser convertidos em biogás e resíduos de digestão. Este processo exige um

monitoramento dos gases produzidos, uma vez que ocorre em um ambiente fechado,

havendo predominância da produção de CH

É importante saber qual método resulta mais eficaz na escolha da fase biológica

(aeróbia ou anaeróbia). Rendra S. et al (2003) estudaram a influência da recirculação de

chorume e lama no RSU utilizando modelos de bioreatores aeróbio e anaeróbio. Eles

concluíram que o RSU no bioreator aeróbio estabilizou entre 27 a 37 semanas

(COD<1000 mg/L). No modelo anaeróbio, a estabilização aconteceu entre 51 a mais de

63 semanas. Isto indica que a degradação de RSU sob condições aeróbias foi

aproximadamente duas vezes mais rápida comparada com a decomposição anaeróbia.

2.2.2 Tipos de Pré-tratamento

Segundo o objetivo pretendido com o pré-tratamento, existem vários sistemas para o

processamento mecânico e biológico. De acordo com a definição de MBA (Mechanisch

Biologisch Abfallbehandlung), o pré-tratamento destina-se principalmente ao

gerenciamento adequado dos resíduos domiciliares, tendo como opções:

• Separação de diferentes tipos de resíduos para reaproveitamento de materiais;

• Enriquecimento do fluxo parcial calorífico para incorporá-lo no reaproveitamento

térmico;

• Condicionamento dos resíduos para o depósito final.

Em países mais desenvolvidos estes aspectos se apresentam normalmente, mas quando

se trata de países em desenvolvimento geralmente o segundo não é encontrado. Nesses

casos o interesse é simplesmente a melhoria da forma de disposição e ter-se um possível

reaproveitamento de materiais.

Descrevem-se a seguir alguns processos de pré-tratamento em utilização. São processos

desenvolvidos na Europa, em adoção principalmente na Alemanha, Áustria e Suíça.

Sistema – MBA – FABER AMBRA RECICLING

Tratamento mecânico. Após a descarga do material, os resíduos são submetidos a uma

triagem visual e manual, onde são excluídos materiais volumosos ou estranhos ao

processo mecânico ou biológico, como por exemplo: baterias de carros, pneus, grandes

peças de metais, entre outros.

Os resíduos são a seguir transportados por pá-carregadeira ou retro-escavadeira para o

abastecimento de um tambor de homogeneização. Esse equipamento, parte fundamental

do tratamento mecânico, é provido de dispositivos para elevar o grau de umidade da

massa e abertura de sacolas, provocando também a ruptura em alguns tipos de materiais.

Durante o umedecimento da massa, pode ser utilizada água pluvial ou potável, líquido

de percolação, chorume ou lodo de estação de tratamento de esgoto.

Após receberem o tratamento mecânico, os resíduos são transportados para a área de

decomposição biológica denominada pátio de tratamento ou leira.

Tratamento biológico. O material proveniente do tratamento mecânico é transportado e

disposto em leiras para a sua decomposição de forma estática e aeróbia.

O prazo de estabilização do material poderá variar conforme as condições climáticas

locais, aerobicidade do processo, umidade e a diversificação nas características

gravimétricas dos resíduos.

Pode-se utilizar como parâmetro para caracterizar o prazo de estabilização, a

experiência em Meisenheim na Alemanha, onde o prazo foi de 9 meses e, o projeto

piloto realizado pela COPPE (Mahler, 2002).

Quimicamente o fundamento da decomposição do tratamento biológico aeróbio

seria:

Micro organismos

Matéria orgânica + O

+ H

O + Calor

Impermeabilização. A impermeabilização do pátio de tratamento biológico é

recomendável em qualquer processo e visa evitar a contaminação dos solos abaixo dos

lençóis e das águas subterrâneas.

Coleta, canalização e tratamento do líquido lixiviado das leiras. O pátio de tratamento

será executado de modo a oferecer uma declividade maior que 1%, facilitando, portanto,

a percolação dos líquidos através da leira de resíduos e sua futura captação.

Os líquidos captados serão armazenados em tanques, para que possam ser reintegrados

durante o processo de tratamento mecânico ou durante o umedecimento das leiras no

tratamento biológico.

Coleta e tratamento de gás. Considerando que os gases eliminados durante a

decomposição aerada são basicamente CO

, N

e O

, não será necessária qualquer tipo

de coleta exclusiva de gases durante o tratamento biológico. Também válido para

qualquer processo mecânico biológico.

Monitoramento. Para a avaliação da eficácia do processo biológico fazem-se necessárias

medições de temperatura na superfície e no interior das leiras, e ainda, medições dos

gases provenientes da decomposição. Também são avaliadas a matéria sólida e os

líquidos emitidos durante o tratamento.

Figura 2.1. Esquema operacional do sistema FABER AMBRA (Faber Ambra Recycling, 1999).

O sistema Faber Ambra, da mesma forma que os outros processos mecânico biológicos,

reduz a necessidade de área de aterro. Porém, durante o processo de inertização faz-se

necessário uma área suplementar para a construção e monitoramento das leiras.

As vantagens dos processos de pré-tratamento mecânico biológico se aplicados em

forma eficiente são:

• Aumenta a vida útil do aterro;

• As emissões de gases e o teor orgânico do chorume ficam reduzidos;

• Dispensa material para a cobertura diária do aterro;

• Simplificação das drenagens e do tratamento de gases e líquidos;

• Incremento da estabilidade de aterro, reduzindo os custos de sua manutenção

posterior.

Sistema – MBA - LINKENBACH

Um dos mais simples. Consiste na retirada manual prévia de materiais, um tratamento

mecânico baseado em trituração e peneiramento e um tratamento biológico através da

degradação aeróbia de material disposto em pilhas. O produto final é aterrado e

compactado. O sistema é semelhante ao da Faber.

Figura 2.2. Esquema operacional do sistema LINKENBACH (Fricke et al, 1995).

Sistema – MBA - KIRCHDORF

Este sistema tem um separador que decompõe o lixo em três frações: pesada, leve e fina

e tem como resultado final 2/3 do material incinerado.

Figura 2.3. Esquema operacional do sistema KIRCHDORF (Fricke et al, 1995).

Sistema – MBA – VAGRON

Este sistema, mais atual, busca desenvolver um projeto aliando o tratamento do lixo à

reciclagem, utilizando um sistema técnico e econômico seguido de várias pesquisas para

a formação de mercado para o seu produto final.

O processo consiste em previamente separar manualmente vidro, pedra e areia que são

interessantes para a reciclagem. Logo depois o lixo é distribuído através do tratamento

mecânico em várias frações. A maior parte dele é formada de ferro e materiais leves

como papel e plástico que são levadas e aproveitadas para a incineração. No final o que

resta é levado para o depósito, um material fino e úmido que pode ser utilizado

energeticamente e como cobertura de aterros sanitários.

Figura 2.4. Esquema operacional do sistema KIRCHDORF (Fricke et al, 1995).

Sistema – MBA - BASSUM

Um dos mais complexos, que conta com um sistema de maquinaria complexo,

elaborado específicamente para a separação e processamento, possuindo um forno de

aquecimento que efetua a incineração no próprio local onde o resí oo

í o

2.3 PROPRIEDADES DOS RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS

2.3.1 Composição e granulometria

Os resíduos domiciliares brasileiros têm se apresentado com taxas de matéria orgânica

da ordem de 50 a 60%, típicas de países em desenvolvimento, e maiores aos

encontrados em países desenvolvidos. Este teor orgânico elevado propicia, entre outros

fatores, um elevado teor de umidade.

Na Tabela 2.1 apresentam-se as gravimetrias dos componentes de diversos aterros

sanitários do mundo [Bangkok, Pekin, Nairobi, Hong-Kong, New York, Istambul,

Atenas, Cochabamba e Wollongong, Manacero et al (1997); Kuwait, Jasem (2002);

Belo Horizonte, Barros et al (2000); Doña Juana, Rodriguez & Velandia (2002);

Brasilia, Junqueira (2000); Bandeirantes, Machado & Vilar (2000); Muribeca, Monteiro

et al (2001); Olinda e Salvador, de Melo & Juca (2001); Califórnia e Spruitville,

Ogwueleka (2003)].

Tabela 2.1. Gravimetria dos componentes de Resíduos Sólidos Urbanos. [Manacero et al (1997), Jasem

(2002), Barros et al (2000), Rodriguez & Velandia (2002), Junqueira (2000), Machado & Vilar (2000),

Monteiro et al (2001), de Melo & Juca (2001), Ogwueleka (2003)].

Segundo Landva & Clark (1990) as seguintes categorias de classificação podem ser

estabelecidas: i) resíduos de alimentos, ii) de poda, iii) de papel, iv) plásticos, borracha e

couro, v) têxteis, vi) madeira, vii) metais, viii) cerâmicos e vidros, ix) cinzas e pedras.

Ensaios CPT vem sendo efetuados em aterros de RSU. Os resultados foram plotados na

carta de Schmertman, excluindo-se os picos de resistência. Observa-se que os RSU

apresentam-se dentro de uma variação correspondente a areias fofas e a argilas siltosas e

arenosas, como apresentado nas figuras 2.6 e 2.7 (Palma, 1995 e Manassero et al 1997,

apud Knochenmus et al 1998). A razão de atrito apresentada na carta é definida como a

razão entre o valor do atrito lateral medido no cone e o valor da resistência de ponta.

Grisolia et al (1995a) propuseram um sistema de classificação baseado nas classes dos

materiais usando um diagrama triangular (Figura 2.8).

Figura 2.6. Classificação do RSU pela carta de Schmertman (Palma, 1995).

Figura 2.7. Classificação do RSU através do CPT (Manassero et al, 1997).

Figura 2.8. Classificação pelo Diagrama Triangular (Grisolia et al, 1995a).

Para representação da distribuição granulométrica de RSU da Alemanha, Kolsch (1995)

adotou a separação dos constituintes em porcentagem por peso através de peneiras com

abertura de 8, 40 e 120mm. Acima de 120mm, os materiais foram separados

visualmente em 500 e 1000mm. Gabr & Valero (1995) em ensaios de distribuição

granulométrica para o RSU do aterro de Pioneer Crossing, Pensilvânia, utilizou a fração

do RSU menor que 9,50mm.

A Figura 2.9 mostra curvas granulométricas para RSU com diferentes idades

(Manassero et al, 1996) e a faixa de variação típica para distribuição granulométrica do

RSU sugerida por Jessberger (1994).

Figura 2.9. Distribuição granulométrica (ampliado de Jessberger, 1994)

Os resíduos, em sua fase de decomposição anaeróbia, liberam fluidos. Um sistema

deficiente de drenagem os confinaria, podendo levar à desestabilização do aterro.

2.3.2 Massa específica

A massa específica varia conforme cada aterro. É difícil a padronização de valores visto

a variabilidade na composição dos resíduos, métodos de compactação, volume, grau de

compactação, condições meteorológicas e umidade. Diversos valores encontram-se

publicados na literatura (Tabela 2.2). Perfis de massa específica de diferentes aterros são

mostrados na Figura 2.10 (ampliado de Mannasero et al, 1997).

Segundo Gotteland et al (1995), várias técnicas são usadas para determinar a massa

específica in situ, dentre elas destacam-se os ensaios em poços escavados (2 a 4m de

profundidade) ou trincheira e aqueles empregando radiação gama. Os ensaios em poços

consistem na pesagem do material e determinação do volume a partir do preenchimento

da cava devidamente impermeabilizada com manta sintética.

A composição, principalmente o conteúdo orgânico, controla o processo bioquímico,

especialmente a geração de gases e lixiviados. O conteúdo orgânico também afeta os

parâmetros de resistência e a deformabilidade dos resíduos.

Tabela 2.2. Massas específicas de alguns aterros de RSU não pré-tratados (Modificado de Marques,

2001).

No caso de um aterro da Califórnia ( Kavazanjian, 2001), o peso específico do resíduo

degradado úmido, como resultado da recirculação de chorume no aterro, foi

significativamente maior que o peso específico de resíduos de aterros relativamente

secos. Os valores de peso específico para estes aterros úmidos resultam freqüentemente

maiores que 15kN/m³.

Carvalho (2002 e 2006) descreve o procedimento (Percâmetro) para retirada de

amostras indeformadas de aterros, possibilitando a determinação entre outras grandezas

da massa específica, capacidade de campo e umidade.

Silveira (2004) determinou pelo método da cava as massas específicas de Paracambi/RJ,

Santo André/SP, Gramacho/RJ e Nova Iguaçu/RJ. Descreveu os procedimentos usados

nos ensaios in situ e as dificuldades encontradas na realização de tais ensaios. Com o

uso do percâmetro (Carvalho, 2002) reanalisou-se o material e observou-se uma boa

concordância entre os resultados.

Figura 2.10. Perfil de Massa Específica para RSU não pré-tratado (Modificado de Mannasero et al,

1997).

O peso específico médio dos constituintes individuais (i) do resíduo depende do peso

específico da porção sólida de cada constituinte, de sua porosidade e do grau de

saturação. O peso específico médio segundo Manassero et al (1997) de n constituintes

seria:



(2.1)

onde γ

=peso específico do constituinte i, e w

=peso do constituinte i como fração do

peso total w

do constituinte.

Caso o constituinte possa absorver água, o novo valor médio do peso específico seria:













∆



γγ

(2.2)

onde ∆γ

=incremento no peso unitário do constituinte i.

2.3.3 Umidade

Os teores de umidade iniciais do resíduo são fortemente influênciados pelo percentual

de matéria orgânica, pelas condições climáticas locais e pela época do ano (seca e

chuva). Determinados valores de umidade favorecem o aumento da produção de

chorume e a presença de água no lixo, conseqüentemente, promove o aumento do seu

estágio de degradação. Nas precipitações ocorre a entrada de oxigênio dissolvido na

água, favorecendo a degradação do mat

Segundo Landva & Clark (1990), a massa orgânica tem maior capacidade de retenção

de água, portanto maior umidade. Como resultado, a umidade cresce com o conteúdo

orgânico.

3.3.4 Temperatura

Coumoulos et al (1995) apresentaram valores típicos de temperatura com relação à

profundidade. Mostraram que a temperatura aumenta com a profundidade até os 60°C

numa profundidade de 20 m independendo da temperatura do meio ambiente. Após essa

profundidade a temperatura diminuiu. Para Mariano & Jucá (1998) no aterro da

Muribeca em Recife, a temperatura variou entre 30 e 57°C entre as profundidades de 0 a

15 m. Após esta profundidade a temperatura diminuiu.

As temperaturas no interior da massa de lixo são de grande importância principalmente

no que se refere à atividade de microrganismos que promovem a degradação dos

diversos componentes do lixo. Os microrganismos existentes dentro da massa não

controlam a sua própria temperatura, ficando altamente condicionados à temperatura do

meio, o que propicia o surgimento de diferentes tipos de bactérias para faixas variadas

de temperatura (Junqueira, 2000).

2.3.5 Permeabilidade

Ensaios de carga constante mencionado por Beaven & Powrie (1995), executados em

amostras de grande dimensão indicam que o fluxo através de resíduo urbano saturado

pode ser razoavelmente caracterizado pela lei de Darcy, expressa por:

q = A.k.i

Onde q é o fluxo volumétrico do lixiviado, A a seção transversal ao fluxo, k a

condutividade hidráulica e i o gradiente hidráulico.

Diversos resultados são apresentados na Tabela 2.3 (ampliada de Kaimoto & Cepollina,

1997 e Manassero et al, 1997). Nesta Tabela pode-se verificar que o Aterro de

Bandeirantes indica um valor diferenciado inferior, da ordem de 10

-5

cm/s. De forma

geral, a permeabilidade varia de 10

-2

cm/s a 10

-4

cm/s, a qual é compatível com os valores

obtidos para areias finas e limpas.

Tabela 2.3. Permeabilidade de Aterros Sanitários (ampliada de Kaimoto & Cepollina, 1997 e Manassero

et al, 1997).

A permeabilidade é altamente dependente do procedimento de aterramento, grau de

compactação, pressão de sobrecarga, idade e composição do RSU (Knochenmus et al,

1998). Portanto, deve ser determinada em cada caso se necessária. Manassero et al,

(1996) sugerem o uso de um coeficiente de permeabilidade de 10

-3

cm/s como uma

primeira aproximação. Segundo McCreanor & Reinhart (1997), a literatura apresenta

valores de permeabilidade para lixo urbano variando de várias ordens de magnitude, os

quais são função dos procedimentos de disposição bem como das características do

material.

Para Santos & Presa (1995), os RSU são “livre drenantes” propensos a se comportarem

de modo drenado, ou seja, a não desenvolverem excessos de poropressão. Porém,

Boscow & Abreu (2001) questionam esta afirmação visto que pressões de gás de até

170kPa foram medidas em aterros sanitários brasileiros. Análises da ruptura do sub-

aterro AS-1 do aterro de Bandeirantes (SP) demonstraram que o fator deflagrador do

fenômeno foi a elevação das pressões neutras devido ao acúmulo de chorume. Fatores r

de até 0,6 foram admitidos nas retro-análises para a obtenção de fatores de segurança de

1,0 (Benvenuto & Cunha, 1991).

2.3.6 Capacidade de campo

A quantidade de água que um perfil de terreno sem vegetação e evaporação retém

contra a ação da gravidade, após plenamente inundado e deixado drenar livremente por

uns poucos dias e sem adição de água, determina o volume máximo aproximado de

água que um solo bem drenado pode armazenar por longos períodos. Esta umidade é

chamada capacidade de campo do solo (Veihmeyer & Hendrickson, 1931).

Inúmeros trabalhos realizados em laboratório com amostras deformadas e indeformadas

objetivaram definir um potencial matricial de água no solo, que fosse correspondente à

umidade retida na capacidade de campo medida in situ (Lund et al, citados por Swain &

Scotter, 1988).

A capacidade de campo pode ser influênciada pela estrutura do resíduo, teor de matéria

orgânica, seqüência dos horizontes pedogenéticos e gradiente textural entre os

horizontes, bem como pelo teor inicial de umidade e lâmina de água (Marshall, citado

por Salter & Williams, 1965).

A determinação da capacidade de campo in situ, segundo Embrapa (1979), é realizada

num tabuleiro de 1 x 1 m, onde se aplica uma lâmina de água suficiente para saturar o

perfil até a profundidade desejada. Esta lâmina é obtida pela diferença entre a

porosidade e a umidade inicial, integrada ao longo do perfil, acrescentando-se uma

porcentagem relativa às perdas laterais causadas pelo fluxo horizontal. Quanto maior a

dimensão do tabuleiro, menor a influência desse fluxo de perda horizontal na

estabilização do perfil de umidade decorrente da drenagem interna (Hillel, 1980). Uma

questão metodológica relevante é a definição do tabuleiro mínimo do experimento.

Adelar et al, (2000), em ensaios realizados in situ sobre solo Podzólico Vermelho –

amarelo e utilizando a câmara de fluxo desenvolvida por Fabian & Ottoni Filho (1997),

concluíram que a câmara de fluxo reproduz adequadamente os fenômenos de

transferência hídrica vertical e que o tamanho do tabuleiro preconizado pela Embrapa

(1,0 m

de área) pode ser reduzido.

A câmara de fluxo de Fabian & Ottoni Filho (1997) consiste num cilindro metálico de

80 cm de diâmetro por 80 cm de altura e que pode ser cravado totalmente no terreno por

pressão hidráulica, sem necessidade de nenhuma perturbação na estrutura do solo. A

utilização deste equipamento na determinação in situ da capacidade de campo, apresenta

a vantagem de eliminar os fluxos horizontais de perda de água das camadas superiores

do perfil.

Zornberg et al (1999) e Bligth et al (1992) realizaram um programa de t

2.3.7 Características químicas

Poder calorífico. Indica a capacidade potencial de um material desprender

determinada quantidade de calor quando submetido à queima, sendo o seu

conhecimento fundamental para o dimensionamento das instalações de incineração.

Potencial Hidrogeniônico (pH). Indica o teor de acidez ou alcalinidade dos

resíduos. O seu valor está relacionado com a velocidade de degradação e estabilização

da matéria orgânica, sendo o seu conhecimento útil para o planejamento e projetos

relacionados a destinação final do lixo.

Composição química. Tem por objetivo a determinação dos teores de cinzas,

matéria orgânica, carbono, nitrogênio, potássio, cálcio, fósforo, resíduo mineral total,

resíduo mineral solúvel e gorduras. O seu conhecimento é importante, principalmente

quando se estudam processos de tratamento aplicáveis ao lixo e a forma mais adequada

de destinação final.

Relação Carbono/Nitrogênio. Indica o grau de decomposição da matéria

orgânica do lixo nos processos de tratamento/disposição final.

2.3.8 Características Biológicas

Estão representadas pela população microbiana e agentes patogênicos presentes no

resíduo sólido. O seu conhecimento, juntamente com as características químicas,

permite que sejam selecionados os métodos de pré-tratamento e disposição mais

adequados, com o desenvolvimento, por exemplo, de inibidores de cheiro e de

retardadores/aceleradores de decomposição da matéria orgânica. Esses procedimentos

são também utilizados no interior de veículos de coleta e na recuperação de áreas

degradadas.

2.3.9 Resistência ao cisalhamento

O conhecimento deste parâmetro é fundamental na descrição das propriedades

geotécnicas dos aterros sanitários. Ainda na atualidade utilizam-se no Brasil parâmetros

da literatura internacional para avaliar o comportamento dessas estruturas, embora os

resíduos sejam diferentes na sua origem, estrutura, gravimetria dos componentes, etc.

O incremento da tensão normal num aterro provoca o incremento de sua resistência.

Porém, devido ao seu alto teor de matéria orgânica e sua estrutura fibrosa seu

comportamento é mais como um solo orgânico fibroso e não só como um solo.

González, (1995, apud Fucale, 2005) indicou que os fatores que afetam os parâmetros

de resistência são o teor de matéria orgânica e fibras, a idade e grau de decomposição

dos resíduos sólidos, a época em que se construiu o aterro e o esforço de compactação,

composição e quantidade de solo de cobertura.

A interpretação dos resultados de ensaios em resíduos está sujeita a muitas incertezas

devido à dificuldade de definir o modelo de ruptura mais apropriado para o

comportamento especial deste material. A análise usualmente é feita a partir de modelos

e métodos estabelecidos para solos considerando o reforço dado pelo plástico, madeira,

panos, etc. No entanto, há diferenças significativas do solo, pois o índice de vazios é

muito alto o que implica numa compressibilidade volumétrica alta; as partículas são de

natureza muito diferente, algumas fracas e muito deformáveis ou quebradiças; há um

processo de decomposição com o tempo, o que promove uma auto consolidação e

variação de suas propriedades com o tempo.

No atual estado de conhecimento, Manassero et al (1996) consideram de grande

utilidade os conceitos teóricos derivados do comportamento de solos para interpretação

dos ensaios com resíduos sólidos. Desta forma, os conceitos de ângulo de atrito e

intercepto de coesão são normalmente utilizados.

Os ensaios de cisalhamento direto vêm sendo executados por alguns pesquisadores a

fim de determinar os parâmetros de resistência dos RSU e para obter, em alguns casos,

os parâmetros de resistência na superfície de contato entre os resíduos sólidos e

geossintético (Del Greco & Oggeri 1993 apud Fucale 2005). Segundo Siegel et al

(1990) e Manassero et al (1996), este tipo de ensaio não reproduz o real comportamento

dos resíduos no aterro, mas serve como uma aproximação inicial para procedimentos

mais exatos.

Baseado em ensaios de laboratório e a retro-análise de taludes, Kavazanjian (2001)

propôs um limite inferior para envoltória de resistência ao cisalhamento drenado de

RSU (Figura 2.11). Ele sugere uma resistência constante igual a 24kPa para baixas

tensões de confinamento. Para tensões elevadas, indica uma coesão nula e o ângulo de

atrito igual a 33°. Também na Figura 2.11, tem-se o resultado de uma retro-análise da

ruptura do aterro de Doña Juana, Colômbia. Utilizando a poropressão gerada pela re-

injeção do chorume obteve-se que a resistência ao cisalhamento drenada, que explica o

colapso do talude, pode ser caracterizada por uma coesão de 19kPa e um ângulo de

atrito de 28° (GeoSyntec, 1998). Van Impe et al (1996) apresentaram uma envoltória tri

linear semelhante à de Kavazanjian (2001). Esse autor sugere para tensões normais

menores de 20kPa, ângulo de atrito nulo e coesão igual a 20kPa. Para pressões

superiores a 20kPa e inferiores a 60kPa tem-se coesão nula e ângulo de atrito 38°. Para

tensões normais maiores do que 60kPa a coesão passa a 20kPa e o ângulo de atrito para

30°.

Figura 2.11. Envoltória de resistência ao cisalhamento (Kavazanjian, 2001).

Segundo Kolsch (1995), a resistência do resíduo é função de duas componentes. Uma

produzida pelo atrito entre partículas e outra promovida por partículas planas que

desenvolvem no resíduo a função de reforço. A componente de atrito entre partículas

aumenta com o incremento de tensões normais e a componente do reforço inicialmente

também aumenta com o incremento de tensões, até o limite de resistência à tração da

fibra, quando esta se rasga. Kolsch (1995), por conseguinte, postula uma envoltória de

resistência bi-linear, onde devido ao reforço, a envoltória de resistência inicialmente

apresenta-se mais inclinada. Quando a resistência à tração do reforço é atingida e é

perdido seu aporte na resistência, tem-se a variação abrupta da resistência e a inclinação

da envoltória passa ser controlada unicamente pelo ângulo de atrito entre partículas.

Jessberger et al (1995) não concordam com este postulado já que num resíduo os

elementos de reforço têm diferentes resistências à tração e diferentes propriedades

tensão-deformação. Dessa forma uma ruptura pontual (como ocorre no caso do reforço

de solo granular com tiras metálicas) não deve ser esperada.

Os plásticos (fibra) podem favorecer taludes mais íngremes, mas tal não deve ser

tomado como uma garantia da estabilidade em longo prazo. O efeito da fibra pode

diminuir com o tempo, pela degradação promovida pela ação corrosiva do chorume e a

temperatura. (Mahler et al, 1998).

Embora Jessberger et al (1995) indiquem que o estado crítico de resíduos foi atingido

em ensaios triaxiais para deformações de 40 a 50%, esta afirmação entra em contradição

com os resultados apresentados por Grisolia et al (1995b) que afirmam que as tensões

cisalhantes continuam crescendo.

Na Tabela 2.5 apresenta-se resultados obtidos por Turczynski 1988, que relacionam

parâmetros de resistência com a idade do resíduo.

Tabela 2.5. Parâmetros de Resistência de resíduos (Turczynski 1988)

Idade (anos)

(

•

)

c’ (kN/m

)

Fresco 38-40 40-50

3 35 15

5 32 12

15 26 10

Reutner 1995 apresenta valores de resistência em função da deformação (Tabela 2.6).

Tabela 2.6. Parâmetros de resistência (Reutner 1995).

Deformação máxima de (%)

(

•

)

c’ (kN/m

)

5 16,9 16

10 24,9 32

15 30,6 51

A definição dos parâmetros de resistência a partir de retro-análise do comportamento do

maciço limita-se apenas a alguns poucos casos (Cowland et al, 1993). Singh & Murphy

(1990) apresentaram uma coletânea dos vários parâmetros de resistência, obtidos de

retro-análise de aterros sanitários de RSU (figura 2.12), porém não se teve informação

adicional ao respeito.

Figura 2.12. Parâmetros de resistência obtidos por retro-análise (Singh & Murphy, 1990)

Kockel & Jessberger (1995), em ensaios variando a proporção de plástico, mostraram

que a resistência ao cisalhamento da matriz básica tem um ângulo de atrito de 42º a 45°

que aparece a altas deformações e é pouco influênciada pela presença do plástico. No

entanto, a coesão depende do reforço da matriz (coesão devido ao efeito fibra) (Figura

2.13). Kockel (1995) mostrou que existem incrementos de coesão e ângulo de atrito

com a idade dos resíduos excetuando os resíduos muito velhos.

Gabr e Valero (1995) mostraram uma redução na coesão mobilizada com o incremento

de umidade.

Figura 2.13. Relação ângulo de atrito e coesão vs deformação (Kockel & Jessberger, 1995)

Observa-se que para a ativação integral da coesão necessita-se de elevadas deformações

(perto de 20%), valores nos quais o ângulo de atrito já foi totalmente mobilizado.

O aumento da coesão em função da presença dos materiais fibrosos pode ser

compreendido pela análise da Figura 2.14.(Jessberger et al 1995). Num diagrama q-p, a

resistência ao cisalhamento do resíduo sólido propriamente dito (matriz básica + fibras)

apresentou um intercepto coesivo e um movimento de linha de ruptura

aproximadamente paralelo em relação a matriz básica do resíduo. Os parâmetros de

resistência ao cisalhamento variaram de φ=42 a 49° e c=51 a 41kPa para resíduos

sólidos com idade entre 1 e 3 anos. As amostras ensaiadas pos ramaaâamsttoa e 00s

Na Tabela 2.7 mostra-se alguns resultados de parâmetros de resistência em RSU, das

diversas partes do mundo e na Figura 2.16 mostra-se alguns resultados de diversos

autores (Modificado de Sanchez et al, 1993).

Tabela 2.7. Parâmetros de Resistência.

Figura 2.16. Parâmetros de Resistência de RSU (Ampliado de Sanchez et al, 1993).

Kolsch (1993) apresentou um modelo para o comportamento do plástico (Efeito feito

fibra) no resíduo. A Figura 2.17 mostra o comportamento cisalhante característico de

um resíduo reforçado num ensaio de resistência ao cisalhamento. As rupturas das fibras

são vistas como pontos de descontinuidade e só começam a aparecer após 200 KN/m

de pressão de confinamento. Para baixas pressões confinantes, a influência do plástico

na resistência ao cisalhamento do solo apresente-se de menor importância, visto a

pequena aderência (atrito) entre as fibras e o resto do resíduo.

Figura 2.17. Características do comportamento cisalhante do modelo de RSU Kolsch (1993).

A Figura 2.18 mostra o modelo de interação entre as forças de tração e atrito durante a

deformação cisalhante das fibras sob tensão constante. Durante a deformação, no início

só as forças cisalhantes crescem (l); após certa deformação as fibras ficam tracionadas,

provocando um efeito de reforço no resíduo (ll). Excedida a resistência à tração ou de

aderência, as fibras rompem ou deslizam (lll). Finalmente, as forças cisalhantes

prevalecem e o máximo da tensão cisalhante é atingido (lV) (Kolsch, 1995).

A Figura 2.19 mostra a interação entre as forças de tensão e atrito para várias tensões

normais. Os pequenos círculos indicam os pontos de máxima força de tensão e os

triângulos indicam os pontos de máximo atrito para uma tensão normal determinada.

Sob baixas tensões normais, σ

, as forças de tração mobilizadas nas fibras são baixas

(baixa aderência), com o incremento de tensão normal as forças de tração nas fibras

podem vir a crescer, visto a maior aderência plausível de ser mobilizada no contato das

fibras com os demais componentes do resíduo. Para tensões normais mais elevadas

(σ>σ

) observa-se a ruptura das fibras e só a componente de atrito assume papel de

relevância na resistência ao cisalhamento.

Figura 2.18. Modelo de interação entre forças de tensão e atrito do resíduo (Kolsch, 1995).

Figura 2.19. Modelo do incremento da resistência ao cisalhamento total pelas forças de tensão (Kolsch,

1995).

Neto (2004), em ensaios com resíduo pré-tratado passante da peneira 19mm da Usina de

Compostagem de Jacarepaguá – Rio de Janeiro, indicou que os parâmetros de

resistência mostraram uma tendência de crescimento com os deslocamentos horizontais,

apresentando valores semelhantes aos obtidos para a mistura areia + tiras de plástico

(0,05% em peso), também executados pelo mesmo autor.

Vilar & Carvalho (2002), mostram curvas tensão-deformação de resíduo com 15 anos

de idade obtida em ensaios triaxiais drenados, enfatizando a necessidade de referir os

parâmetros de resistência aos valores de deformações. Indicaram que ambos os

parâmetros de resistência tendem a crescer com a deformação axial, ε. Observa-se que o

ângulo de atrito tende a ser mobilizado totalmente para grandes deformações. Observa-

se também que a coesão promovida pelo efeito “fibra” começa a ser mobilizada a partir

de 10% de deformação.

Machado et al. (2002) apresentam um modelo para o comportamento mecânico do RSU

baseado em dois efeitos: o reforço das fibras e o comportamento da massa sem fibras. O

comportamento da massa sem fibras foi obtido considerando o Estado Crítico Estrutural

e as fibras foram consideradas no estado elasto-plástico perfeito.

Collins et al (1997) e Kolsch (1996) consideram a resistência ao cisalhamento de RSU

controladas pelo ângulo de atrito e a coesão, e pela resistência à tração expressa pelo

ângulo, ξ. A resistência ao cisalhamento obtida de ensaios de resistência sem fibras e a

resistência à tração obtida de ensaios de resistência à tração. Isto produz um modelo bi

linear para RSU (Figura 2.20).

Figura 2.20. Modelo de Resistência de RSU (apud Kolsch, 1996).

Na Figura 2.21 apresenta-se equipamento para determinação da resistência à tração das

fibras do RSU. A tensão de tração desenvolvida nas fibras, no plano de ruptura, é

monitorada durante o ensaio. Variando as cargas, é possível determinar o ângulo ξ e

tensão de tração máxima.

Figura 2.21. Ensaio de tração (Ziehmann, 2001).

Ziehmann (1999) considera o modelo bi linear de Kolsch (1996) o mais completo para

descrição da resistência de RSU. Com este modelo é possível representar as duas

componentes de resistência de RSU separadamente. A aplicabilidade do método,

segundo Kolsch (1996) torna-se eficiente quando:

- A porcentagem de partículas maiores que 120 mm é superior a 10% (em peso)

e a altura de cada camada do aterro é inferior a 1m;

- A espessura de cada camada do aterro é menor que 50 cm e o resíduo contem

partículas superiores a 4 cm;

- A carga no talude é baixa.

Vários autores (Siegel et al, 1990; Sanchez et al, 1993; Coumoulos et al, 1995 e Juca et

al, 1997) têm buscado avaliar a resistência do RSU por meio de ensaios in situ, tais

como CPT, SPT e palheta. Na maioria dos casos, esses ensaios são de difícel execução

devido à presença de materiais resistentes como madeira, pedra, metal e outros, os quais

promovem grandes picos na resistência medida, desvio das hastes dos equipamentos e

avérias nos amostradores, palhetas e ponteiras.

Segundo Singh & Murphy (1990) os resultados obtidos dos ensaios de palheta não são

representativos da resistência de RSU, pois as palhetas usadas neste ensaio são muito

pequenas comparativamente às dimensões dos componentes do RSU.

Sowers (1968) considera que os valores de penetração do amostrador (N

spt

), raramente,

ultrapassam 10 golpes. Já Coumoulos et al (1995) encontraram os valores de N

SPT

crescentes com a profundidade, variando entre 25 golpes até cerca de 65 golpes a 25m

de profundidade. Em geral, os resultados apresentam um alto grau de dispersão, o que

torna difícil sua interpretação (Knochenmus et al, 1998).

Carvalho (1999) correlacionou resultados de ensaios CPT em RSU com solos arenosos,

encontrando ângulo de atrito efetivo entre 29 a 33°. Os ângulos de atrito estimados

apresentaram-se maiores do que aqueles obtidos por meio de ensaios triaxiais

consolidados drenados, para 20% de deformação axial. Resultados típicos de CPT

estimaram para RSU valores de coesão não drenada variando entre 45 e 120kPa.

2.3.10 Análise de estabilidade de taludes de RSU

A estabilidade dos taludes de RSU em condições estáticas é controlada pelos seguintes

fatores:

• Resistência ao cisalhamento e compressibilidade dos solos de fundação;

• Massa específica e resistência ao cisalhamento dos resíduos;

• Altura e inclinação do talude;

• Nível de chorume e flutuação no interior do aterro;

• Composição e resistência à erosão da capa superficial do aterro.

Há muitos mecanismos de ruptura que podem acontecer num talude de RSU, os quais

incluem:

• Ruptura de talude durante ou depois do aterramento;

• Ruptura de deslizamento através do resíduo;

• Ruptura de deslizamento através do liner;

• Ruptura de deslizamento profundo incluindo liner, resíduo e fundação.

A análise de estabilidade de aterros de RSU é mais complicada do que para aterros de

solo dada a dificuldade na avaliação das propriedades físicas e mecânicas do resíduo e

da interação das interfaces, assim como as variações destes parâmetros com o tempo e a

profundidade. Como parte da análise de estabilidade, a forma da superfície potencial de

ruptura deve ser avaliada. Ela pode ser circular, se restrita ao resíduo, mas pode variar

de forma se envolve alguma interface.

Usualmente, utiliza-se o método convencional de fatias na análise de estabilidade de

equilíbrio limite do talude. O fator de segurança normalmente adotado apresenta-se

entre 1,3 e 1,5 (Knochenmus et al, 1998).

O Fator de Segurança pode decrescer devido ao constante incremento da pressão de gás

no interior do aterro. No aterro de Doña Juana (Colômbia), o Fator de Segurança variou

de 1,31 a 1,27. No caso de recirculação de chorume, a diminuição do Fator de

Segurança pode ser ainda maior, no aterro de Doña Juana análises demonstram

variações de 1,31 a 1,11 (Caicedo et al, 2002).

Jessberger & Kockel (1991) analisaram a estabilidade de talude de um aterro em RSU

utilizando o programa TALREN 97 desenvolvido pela Terrasol. Os parâmetros de

resistência utilizados foram os obtidos em ensaios de CPT. O fator de segurança mínimo

estável para uma superfície circular foi de 1,35. No entanto, uma pequena redução do

ângulo de atrito de 32° para 28° e da coesão de 10kPa para 5kPa levou a um fator de

segurança próximo a 1. Isto demonstra a importância na obtenção de propriedades de

RSU confiáveis.

Singh & Murphy (1991) assinalam que para aterros de RSU com alturas medianas, em

torno de 61m, e taludes 3H:1V, assentes em fundações relativamente resistentes,

análises clássicas de estabilidade de taludes levam a fatores de segurança aceitáveis

tomando como base parâmetros dentro das faixas apresentadas anteriormente. Os

resultados devem ser considerados conservadores visto que taludes com inclinações

superiores encontram-se estáveis. Aterros com alturas elevadas e taludes

moderadamente íngremes (1,5 a 2H:1V) e assentes em fundações pouco resistentes,

apresentam potencial de ruptura pela fundação do aterro.

A avaliação da estabilidade das fundações pode ser conduzida com base em análises de

estabilidade de taludes convencionais e de capacidade de carga das fundações. Singh &

Murphy (1991) consideram que na análise de estabilidade das fundações, a resistência

do aterro deve ser desconsiderada, numa abordagem conservadora. Nessa modelagem

tem-se a ruptura da fundação independente do corpo do aterro.

2.3.11 Variação da estabilidade de RSU com o tempo

Dentre os fatores responsáveis por mudanças nas condições de estabilidade de aterros de

RSU ao longo da sua vida útil destacam-se:

 Alteração da composição do resíduo, em virtude de, por exemplo, reciclagem

de plásticos, metais, etc.;

 Incremento do lixiviado causado pela rup3.12184 0 Td(e)Tj5.28312 0 Td(m)Tj````````````````````````````````````````6.00.76341 04511 0 Td(e)Tj5.28312 0 Td(n)Tj6177o

Figura 2.22. Definições para as propriedades de tensão (Kolsch, 1996).

O ângulo entre a superfície de ruptura em estudo e a direção principal da fibra, α é

considerado no cálculo da estabilidade. A resistência ao cisalhamento da matriz básica

(atrito) e da matriz de fibra (coesão de fibra) gera a resistência ao cisalhamento do

resíduo, que pode ser obtida superpondo ambas as componentes (Figura 2.20).

Na Figura 2.23 apresenta-se a forma de determinação da parcela de resistência

denominada coesão de fibra. O elemento reforçado horizontalmente encontra-se

submetido a um carregamento cisalhante T. Esta carga gera a tensão de tração na fibra,

Z, que transformado na direção do reforço resulta Z

A tensão de tração gera a

resistência ao cisalhamento τ

. Para garantir o equilíbrio de forças no elemento

mobiliza-se uma tensão normal adicional σ

(Efeito Clamp). Com σ

surge uma força

de atrito adicional gerando a componente de resistência ao cisalhamento τ

R(Z)

(Kolsch,

1996).

A coesão de fibra τ

(Z)

pode ser obtida através das equações a seguir:

Figura 2.23. Sistema de equilibro num elemento reforçado (Apud Kolsch, 1996 e 2004).

(Z)

= τ

+ τ

R(Z)

(2.4)

(Z)

= Z

cos α + σ

tan φ (2.5)

(Z)

= Z sin α cos α + Z sin α sin α tan φ (2.6)

(Z)

= Z sin α ( cos α + sin α tan φ) (2.7)

Onde τ

(Z)

é a coesão de fibra; τ

a resistência ao cisalhamento–fibra; τ

R(Z)

a resistência

de atrito adicional (efeito clamp); Z a tensão tração e α o ângulo entre a fibra e a

superfície de cisalhamento.

Simplificando a ultima equação tem-se:

(Z)

= Z a

(2.8)

Onde a

é um fator de transmissão que descreve a quantidade máxima de mobilização.

varia entre 0,65 a 0,95 para ângulos de atrito, φ, entre 15 e 35

, porém numa condição

mais simples tem-se:

Z = σ

tan ζ para [σ

< σ

cri

]

Z = Z

max

para [σ

> σ

cri

] (2.9)

Onde σ

é a tensão normal (perpendicular a direção principal da fibra) e ζ o ângulo

correspondente à resistência à tração.

A resistência ao cisalhamento da matriz básica (atrito) adicionada à coesão de fibra

(Figura 2.20) resulta:

= τ

(R)

+ τ

(Z)

= σ tan φ + Z a

= σ tan φ +σ

tan ζ a

para [σ

< σ

crit

]

= σ tan φ + Z

max

para [σ

> σ

crit

] (2.10)

Kolsch (1996) considera as equações acima e utiliza o método de Bishop na análise de

estabilidade de taludes de aterros sanitários. Às forças resistentes, T, são acrescidas um

termo que inclui a resistência devida às fibras, expreso por:.

αφα

cos.sen

)5,1sen(.....

atgGbctgG

(2.11)

Onde G é a massa efetiva do elemento; b a espessura do elemento e FS o fator de

segurança.

b) Análise de estabilidade de aterros de RSU como uma estrutura de solo reforçado

(Ehrlich, 2004).

Taludes de aterros RSU podem ser analisados utilizando procedimentos similares aos

adotados para estruturas de solo reforçado. A contribuição das fibras (plástico, madeira,

etc.) pode ser entendida similarmente aos reforços.

Considerando essa abordagem Ehrlich (2004) avalia alturas críticas de RSU e estuda

também a influência da direção de posição das fibras na estabilidade.

Na Figura 2.24 mostra-se uma análise em solo reforçado com n lâminas horizontais

separadas numa distancia constante entre si. Nela mostra-se detalhe do reforço por

camadas num talude vertical de altura H.

Figura 2.24. Taludes reforçados.

No equilíbrio,

(

)

maxmaxint

nTTH

XextX

=≤−

σσ

(2.12)

onde n é o número de reforços e T

max

é a tensão máxima possível de ser mobilizada nos

reforços.

Tem-se que de T

max

é determinado considerando o menor valor entre a resistência à

ruptura das fibras, T

e a resistência ao arrancamento, T

max

= T

se T

< T

se T

> T

(2.13)

(

)

Btg

srZsrZP

φσφστ

===

2 (2.14)

onde τ = Resistência ao cisalhamento da interface resíduo fibra;

= ângulo de atrito resíduo fibra;

B = Comprimento de reforço.

b.1) Verificação do colapso pela não aderência das fibras no interior da massa de

resíduo.

Considerando o arrancamento do reforço, tem-se levando (2.14) e (2.13) em (2.12)

(

)

HBTgnnT

XextXsrZ

σσφσ

−==

intmax

(2.15)

σσ

int

(2.16)

Onde K é o coeficiente de empuxo do solo

Para σ

Xext

=zero, (2.16) em (2.15)

Btg

(2.17)

Assim na condição ativa de Rankine K = Ka = tg

(45-

/2)

(

)

245

−

(2.18)

Pode-se observar que o número de reforços necessários ao equilíbro, n, independe de

, isto é, da altura do aterro. Pode-se concluir analisando a Equação 2.18 que para

condições usuais de parâmetros e geometria é improvável a ruptura por arrancamento

das fibras.

b.2) Verificação do colapso pela ruptura das fibras

Considerando a ruptura dos reforços tem-se levando a Equação (2.13) em (2.12)

(

)

HnTnT

XextXR

σσ

−==

intmax

(2.19)

para

Xext

=zero

Substituindo (2.16) em (2.19)

(2.20)

Na condição ativa,













−













(2.21)

Observa-se que nesse caso n depende de

Na ruptura (

Zcrit

) a Equação (2.21) pode ser reduzida a:













−=

crit

(2.22)

tem-se,

critZ

crit

γσ

= (2.23)













crit

(2.24)

Na Tabela 2.8 apresentam-se resultados calculados de altura crítica de aterros de RSU com

taludes verticais considerando a Equação 2.24 e resultados de ensaios de resistência à tração

para diferentes RSU (Figura 2.25, Kolsch, 1996). O ângulo de tensão de tração ξ=0º para

resíduo peneirado significa que houve uma perda total do efeito estrutural (ex. solo sem

reforço). O solo triturado com 20% de reforço atingiu ξ=14º e o resíduo fresco com maior

porcentagem de reforço ξ=35°.

Figura 2.25. Variação da resistência à tração com a tensão normal para diferentes RSU (Kolsch,1996).

Considerou-se no cálculo apresentado na Tabela 2.8 um peso específico de 10 kN/m

, σ

400KPa e ângulos de atrito de 20 e 30°.

Tabela 2.8. Altura crítica de taludes verticais de RSU.

Tipo de Resíduo nT

/H [KPa] Z

cri

[m]

Resíduo sem mat.org. > 300

> 60

Fresco > 200

> 40

Pré–tratado > 120

> 24

Pré-tratado Peneirado > 20

> 4

Resíduo sem mat.org. > 300

> 90

Fresco > 200

> 60

Pré-tratado > 120

> 36

Pré-tratado Peneirado > 20

> 6

Nas condições analisadas pode-se observar que aterros de RSU podem atingir elevados

desníveis sem atingir o colapso.

c) Estudo da eficiência da orientação das fibras no comportamento de massas

reforçadas

(Ehrlich, 2004)

No estado plano de deformações, em um material isotrópico elástico linear tem-se

relacionado às tensões,

e deformações principais,

, por:

























−

∆−∆

−

σσ

(2.25)

























−

∆−∆

−

σσ

(2.26)

Considerando,

∆

(2.27)

−

(2.28)

Onde K=coeficiente de empuxo e K

=coeficiente de empuxo no repouso.

Substituindo tem-se,

( )

−∆

−

(2.29)

( )

−∆

−

(2.30)

Na condição ativa,













−==

tgKK

(2.31)

( )

−∆

−

(2.32)

( )

−∆

−

(2.33)

Na Figura 2.26 encontra-se representado o estado de tensões atuante no colapso em um

ensaio de cisalhamento direto. Nestas condições o plano horizontal é um plano de

colapso (Figura 2.26a). As tensões principais podem ser determinadas considerando o

circulo de Morh que tangencia a envoltória de ruptura e passa pelo ponto definido por

(

Figura 2.26b). As direções, tensões principais e planos de ruptura estão

representadas na Figura 2.26c.

Figura 2.26. Tensões atuantes no colapso em um ensaio de cisalhamento direto: (a) Plano de ruptura, (b)

Circulo de Mohr e (c) Direção das tensões principais e planos de ruptura.

As deformações,

θ,

que ocorrem na direção normal em um plano qualquer que faz um

ângulo,

, com a direção do plano principal maior são determinadas por:

εεεε

2cos

3131

−

= (2.34)

Considerando os planos de deformação de tração (

<0)

, rearranjando a Equação (2.34)

tem-se,

)(2cos

εε

−

−<

(2.35)

Substituindo 2.32 e 2.33 em 2.35 tem-se

(

)

(

)

( )( )

−+

+−

−<

)(2cos

(2.36)

Tomando K

=1-sen

’ (Jaky, 1944) (2.37)

E substituindo as Equações 2.30 e 2.37 em 2.36, tem-se:

sin−

−<

)(2cos (2.38)

Considerando um material com ângulo de atrito,

, igual a 30° tem-se que a direção dos

planos,

, zona hachurada, Figura 2.27, nos quais se tem tração é igual a 66°<

<114°.

No caso em questão,

=30°, a inclinação limite dos planos nos quais se observa tração

em relação a

é igual 24°.

As fibras são mobilizadas quando orientadas segundo planos submetidos a deformação

de tração (zona hachurada Figura 2.27). A direção da deformação principal

é onde

ocorrem as maiores deformações de tração. Portanto, é a direção na qual se verifica a

maior eficiência dos reforços.

Figura 2.27. Direção do reforço para

φ=30°.

Em taludes verticais a direção da deformação principal menor,

, é horizontal e nos

inclinados

faz com a horizontal um ângulo

(

Figura 2.28)

Figura 3.28. Direção da deformação principal menor em relação aos reforços.

O valor de α pode ser calculado por,

(

)

−

(2.39)

Para

≥

não se tem a influência dos reforços horizontais como elementos trativos.

Na Tabela 2.9 mostra-se para diferentes valores de ângulo de atrito,

, e

valores

inclinação de taludes,

, a partir da qual (

) não se verifica a mobilização das

fibras. Para valores de inclinação menores que

, o reforço encontrar-se-á em

compressão, portanto não participará como elemento de reforço do talude.

O valor de

é determinado considerando na Equação 2.39,

α = α

ο.

Rearranjando tem-

se.

90.2

−=

αβ

(2.40)

Tabela 2.9. t0.dab.it5.0431 0 Tdcbe

Erros de escala

. Críticas comumente observadas nos modelos centrífugos são os erros

de escala, devido ao campo de aceleração não uniforme e também à dificuldade de

representação de detalhes do protótipo num modelo de pequena escala.

2.4.1 Leis de escala

A análise escalar de parâmetros físicos relativos ao transporte de contaminantes é

essencial para similaridade destes processos no modelo reduzido e no protótipo. A

análise dimensional (Laut, 1975; Arulanadan et al, 1988) e as técnicas de inspeção

(Bachmat 1967, Hensley 1988) vêm sendo utilizados para derivar as leis de escala

gerais dos modelos centrífugos de migração de contaminantes.

Os princípios básicos e as leis de escala da modelagem em centrífuga vêm sendo

pesquisados por diversos autores. Barker (1998) fez o seguinte resumo:

Se para um ensaio é utilizado o mesmo solo tanto na escala real (protótipo) como na

escala reduzida 1/N (modelo), as tensões em pontos específicos do modelo e protótipo

serão as mesmas, sempre que as condições de contorno forem similares.

Se as variações de poro-pressão do modelo e do protótipo são similares, então, todo

fluxo de poropressão primária e adensamento será modelado em tempos N

maior que

no protótipo.

No caso, por exemplo, do estudo da ruptura de taludes em solo reforçado, procura-se a

similaridade entre o modelo e o protótipo para garantir fatores de segurança idênticos.

Ao considerar o método de Fellenius, o Fator de Segurança é dado por (Figura 2.29):

atuanteMomento

resistenteMomento



(2.41)

No protótipo,

(

)

( )

RsingA

yTRgA

jjii

...

.tancos..

θρ



(2.42)

onde,

.g) = peso da fatia i por unidade de longitude;

= Área da fatia;

= Massa específica do solo;

g = Aceleração;

= Ângulo desde a horizontal à tangente no centro da fatia i;

R = Raio do circulo de ruptura;

= Ângulo de atrito do solo;

= Força de tração do reforço j;

= Braço de momento para o reforço.

Para o modelo a expressão do fator de segurança seria:

(

)

( )

Figura 2.29. Equilibrio limite de um talude de solo reforçado numa superfície de ruptura circular.

Dada a similaridade entre o protótipo e o modelo tem-se:

= FS

(2.49)

A relação escalar para análise de taludes de solo reforçado pode-se encontrar mediante a

comparação das expressões (2.42) e (2.48). Conseqüentemente, as seguintes

equivalências devem-se satisfazer com o intuito de ter os mesmos fatores de segurança

entre protótipo e modelo:

(2.50)

tan

= tan

(2.51)

= (

)

(1/N)

N T

(1/N) T

(2.52)

Os requerimentos escalares (2.50) e (2.51) indicam que tanto modelo como protótipo

devem ter a mesma massa específica e ângulo de atrito. A condição (2.52) indica que o

fator de escala

para a tensão do reforço deve ser igual a 1/N.

Embora as expressões (2.50) (2.51) e (2.52) governem a modelagem de ruptura de

taludes reforçados, outras relações escalares na modelagem em centrífuga foram

apresentadas (Scott & Morgan, 1977; Barker, 1998; Gurung, 1996; Taylor, 1995), ver

Tabela 2.10. Particular importância requer o fator de escala da tensão. Assim, a

dependência do ângulo de atrito e a dilatância deveria ser considerada na modelagem de

modelos em centrífuga.

Baseado na Tabela 2.10 pode-se inferir fatores de escala para estruturas de solo

reforçado. A Tabela 2.11 resume as equivalências escalares para solo, reforço, e

parâmetros de interface. Estas relações escalares assumem que o mesmo solo é utilizado

no modelo e no protótipo e que inclusões planares são utilizados como elementos de

reforço, sendo assim, tem-se:

ult

. t (2.53)

Onde t é a espessura do reforço planar.

Considerando o fator de escala para

ult

e t, obtem-se o fator de escala

para a

resistência a tensão T

ult

= 1 . 1/N = 1/N (2.54)

Similarmente, ao invés de considerar o módulo convencional de Young E[F/L

], utiliza-

se o parâmetro de rigidez J[F/L] para caracterizar a deformação dos reforços planares, a

saber:

J = E . t (2.55)

= 1 . 1/N = 1/N (2.56)

Tabela 2.10. Resumo de Leis de escala na modelagem (Apud Scott & Morgan, 1977; Barker,

1998; Gurung, 1996 e Taylor, 1995).

Tipo de evento Parâmetro

Modelo

Protótipo

Gravidade, g N

Tensão, σ

Deformação, ε

Longitude, L 1/N

Eventos estáticos Área, L

1/N

Massa específica, ρ

Massa, m 1/N

Força, F 1/N

Tempo 1/N

Eventos Freqüência N

dinâmicos Aceleração N

Índice de deformação N

Pressão neutra 1

Gradiente hidráulico 1

Eventos de Concentração 1

difusão Tempo (evento de percolação)

1/Ν

Temperatura

Velocidade N

Permeabilidade (mesma solução

modelo e protótipo)

Tabela 2.11. Fatores de escala para parâmetros utilizados na modelagem centrífuga de

estruturas em solo reforçado (Zornberg et al, 1995).

Quantidade Modelo / Protótipo

Parâmetros do solo:

Parâmetros de resistência c, φ

Comportamento tensão-deformação

Parâmetros de reforço

Resistência à tração (T

ult

)

Módulo (J)

Propriedades de interface.

Resistência da interface (tan δ)

Comportamento tensão-deformação da interface

1/N

* Para o caso de reforço planar (unidades para T

ult

e J: Força/Longitude).

** O fator de escala poderia ser N se a relação tensão cisalhante-deslocamento é considerada para

representar o comportamento de interface atual.

A Figura 2.30 mostra o comportamento do reforço no modelo e no protótipo. Notar que

para satisfazer os requerimentos de resistência à tração, pode-se utilizar o mesmo

material do reforço do protótipo no modelo com espessura N vezes menor.

Figura 2.30. Análise escalar entre o reforço do modelo e o protótipo (Apud Zornberg et al, 1995).

2.4.2 Análise linear

Antes de extrapolar os resultados do modelo da centrífuga aos valores do protótipo, é

essencial entender as leis físicas sob as quais a modelagem centrífuga é baseada. Na

Engenharia Geotécnica, o estudo do comportamento mecânico de um protótipo através

de um modelo reduzido em escala, requer, essencialmente, que o modelo centrífugo

tenha o mesmo estado de tensões que o protótipo. Portanto, é de grande interesse

conhecer como atingir a equivalência entre modelo e protótipo.

A Figura 2.31 mostra um diagrama esquemático de um modelo durante a centrífugação.

Figura 2.31. Tensões inerciais do modelo centrífugo induzidos pela rotação (Apud Gurung 1996).

Quando um modelo gira num plano horizontal é gerada uma aceleração centrípeta em

uma profundidade h

a partir do topo do modelo, dada por:

)(

a +=

(2.57)

Onde,

, = Aceleração centrípeta;

V = Velocidade tangencial;

= Raio do centro de rotação até o topo do modelo;

, = Profundidade do modelo;

w = Velocidade angular da centrífuga.

Durante a centrífugação, de acordo com a segunda lei de Newton, a base do container

atrai o solo em direção ao centro de rotação da centrífuga com uma força,

, onde

a massa do solo. Também, pela terceira lei de Newton, a massa do solo reage de

encontro ao container com uma força equivalente e em sentido contrário de

, que é o

peso aparente do solo no modelo.

Na hipótese da aceleração centrípeta a

ser igual a algum valor adicional da aceleração

gravitacional

( ex. a

={[(R

)/g]w

g}, então a força total exercida pela massa de

solo no container será F

=ma

=m{[(R

)/g]w

g}=[(R

)/g]w

(mg) (que é igual a

[(R

)/g]w

vezes o peso do solo na velocidade zero).

Logo, o peso do protótipo é [(R

)/g]w

vezes maior que o peso do modelo.

[(R

)/g]w

é denominado

fator de escala

(N).

Pode-se ver na Figura 2.31

que, aplicando a segunda lei de Newton num pequeno

elemento do modelo que gira no plano horizontal, tem-se:

- F

= dF = a

(2.58)

onde

F = força;

m = massa do elemento;

= aceleração radial.

E, sabendo que,

dm =

dv =

(dh) A (2.59)

Onde

= massa específica;

dv = variação de volume;

dh = variação do comprimento radial;

A = área.

A partir da definição de tensão, tem-se:

= dF / A (2.60)

Assim, das equações anteriores tem-se dF =

(dh) A a

, e

dh (2.61)

E, voltando à Equação 2.57,

+ h) dh (2.62)

Integrando,

( )

 

ρϖσ

0 0

tmm

dhhRhd

(2.63)













tmm

ρϖσ

(2.64)

Para a modelagem centrífuga, esta tensão radial corresponde ao peso do modelo nessa

direção. No caso de solo natural (protótipo), as tensões são chamadas

tensões

geostáticas

e sempre são verticais. Portanto, a tensão geostática em qualquer

profundidade será igual ao peso específico do solo pela altura de solo acima dela.

g h

(2.65)

Na Equação (2.65), pode-se observar, claramente, uma variação linear da tensão com a

profundidade. Nesta equação, assume-se que a aceleração da gravidade é constante com

a profundidade.

Pode-se observar que as equações de tensão do modelo e do protótipo são diferentes.

Desta forma, a fim de preservar uma similaridade entre o modelo e o protótipo, é

importante determinar um ponto de equivalência entre ambas as equações (Figura 2.31).

Fazer as tensões de o modelo centrífugo variar linearmente provoca um desvio das

tensões reais induzidas na centrífuga. Para saber a magnitude deste desvio, pode-se

valer de um método conservativo, por exemplo, calculando o máximo desvio possível

da tensão na base do modelo assumindo o raio efetivo do topo do modelo, ou seja, R

+ h

/2,

) h

=ρ

(N * g) h

(2.66)

Em seguida, adota-se o fator de escala N num raio centrífugo efetivo para o modelo R

tal que,

RwgN

(2.67)

Igualando a Equação (2.57) com a Equação (2.67) resulta,

= (R

+ h

) (2.68)

A diferença de tensões entre o protótipo (função linear) e o modelo centrífugo (função

não linear) é mostrada na Figura 2.32.

Na parte superior, as tensões do modelo são menores que as do protótipo e na parte

inferior são maiores. Supondo-se que as tensões verticais no modelo e no protótipo

sejam iguais a uma profundidade h = h

e considerando as Equações (2.64) e (2.66),

tem-se:

g N h

+ h

/2) h

(2.69)

Considerando agora a Equação (2.67).

= R

+ 0,5 h

(2.70)

Figura 2.32. Comparação da variação de tensões com a profundidade do modelo e do protótipo (apud

Gurung 1996).

Observando-se a Figura 2.32, o índice de máxima sub-tensão r

que ocorre na parte

superior do modelo numa profundidade h

= 0,5h

pode ser calculada com a seguinte

relação: (

tensão protótipo – tensão modelo) / Tensão protótipo.

gNh

RwhgNh

tii

ρρ

5,0

5,05,0













+−

= (2.71)

Simplificando-se a equação, tem-se.

= (2.72)

De maneira similar, o índice de máxima sobre tensão r

que ocorre na parte inferior do

modelo será.

−

(2.73)

Quando o índice de máxima sub tensão r

for igual ao índice de máxima sobre-tensão r

(Equação 2.72=Equação 2.73) as tensões do modelo serão iguais escalarmente com o

protótipo,

= (2.74)

Então

(2.75)

Da Equação 2.74 e na Figura 2.32, pode-se observar uma correspondência exata de

tensões entre o modelo e o protótipo a 2/3 da altura do modelo. Assim, é possível

considerar como raio efetivo a distância desde o eixo central até 1/3 da profundidade do

modelo, sempre que o erro seja mínimo (Equação 2.75). Para a maioria das centrífugas,

h/R

> 0,2 (Taylor, 1995). Desta forma, o erro máximo no perfil de tensões é menor que

3% das tensões do protótipo. É importante notar que para centrífugas com raios

pequenos (ex. R

=1.5m), o erro devido à distribuição de tensões não linear é pequeno

para amostras moderadamente grandes (30 cm de altura).

2.4.3 Erros na modelagem centrífuga

Os modelos centrífugos são protótipos em escala reduzida, onde se espera encontrar as

mesmas propriedades físicas dos protótipos. No entanto, certas circunstâncias podem

causar diferenças do comportamento mecânico do solo no modelo em relação ao seu

correspondente no protótipo. Esta diferença é chamada Efeito de escala. Associadas ao

efeito de escala, estão o efeito do tamanho da partícula e do confinamento.

Junto ao efeito de escala pode-se ter o efeito de Coriolis e o efeito gravitacional da terra

(Gurung 1996).

Efeitos de escala

Nos estudos da modelagem física, é possível fazer algumas vezes uma réplica detalhada

do protótipo. No entanto, algumas aproximações têm que ser consideradas

freqüentemente referidas ao efeito de escala.

Muitos pesquisadores têm citado os problemas de efeito de escala e efeito de tamanho

das partículas associados com a redução dimensional do modelo e o comportamento do

solo no protótipo. Por exemplo, quando o modelo de uma sapata é apoiado em areia e é

sujeito a N vezes o valor da aceleração gravitacional, as dimensões da sapata e as

partículas do solo chegariam a ser teoricamente N vezes maiores que as dimensões

originais. Tal fato levaria a incorreções na modelagem do comportamento real do

protótipo.

Por outro lado, como discutido anteriormente, a função que governa as variações de

tensão do modelo com a profundidade não é uma função linear. Esta não linearidade é

produzida pelas tensões inerciais desenvolvidas na centrífuga variáveis com o raio. No

caso do protótipo, as variações de tensão com a profundidade são lineares devido à

tensão geostática vertical. Esta diferença pode ser minimizada escolhendo-se

cuidadosamente o raio efetivo no qual o fator de escala N é determinado.

Efeito do tamanho da partícula

A pergunta mais freqüente dos pesquisadores em centrífuga é: “Como a modelagem em

centrífuga é justificada se o tamanho da partícula não é reduzido pelo fator N”. Assim,

uma areia fina modelada numa escala de 1:100 poderia representar no protótipo um

pedregulho. Da mesma forma, uma argila teoricamente poderia representar uma areia.

No entanto, deve-se atentar que as argilas naturais, por suas características geométricas

e mineralógicas, têm comportamento tensão-deformação diferente do das areias. O

tamanho da partícula pode ser significativo quando comparado às dimensões do modelo

sendo improvável que o modelo mobilize a mesma curva tensão-deformação no solo e

no protótipo. Efeitos locais dos grãos do solo influênciam no comportamento do modelo

reduzido.

Especial consideração deve ser dada ao estudo do lixo urbano pré-tratado mecânico-

biologicamente. Neste tipo de material, é importante manter as propriedades do

protótipo no modelo. Assim, antes da trituração do lixo, devido à grande

heterogeneidade do resíduo, as partículas de grande dimensão devem ser retiradas

previamente. Este foi o procedimento adotado por Syllwasschy & Jessberger (1998) que

utilizaram partículas com dimensões menores de 3,2 cm.

É importante garantir que seja obedecida a relação crítica entre a maior dimensão do

modelo e o diâmetro médio dos grãos de forma a evitar problemas oriundos do tamanho

das partículas. Esta foi a medida adotada por Ovesen (1979), que investigou o

comportamento de fundações circulares em areia, estudando diferentes escalas de

modelo de um mesmo protótipo. Este estudo evidenciou que os menores desvios

ocorrem quando a razão entre o diâmetro da fundação e o tamanho da partícula obedece

no mínimo à 15.

Efeito da rugosidade R da interface (efeito de confinamento)

Segundo Garnier & Konig (1998), a rugosidade R da superfície em contato com o solo

pode ser normalizada em R

=R/d

, apresentando-se três zonas:

a interface lisa, rugosa

e intermediária

. A Figura 2.33 mostra valores de resistências de pico τ

(normalizadas

pela tensão normal), obtidas durante ensaios de arrancamento na centrífuga em

inclusões cilíndricas verticais imersas em areia.

Figura 2.33. Efeito da rugosidade normalizada na interface de resistência ao cisalhamento t

observada

em ensaios de arrancamento modelados em centrífuga (Garnier & Konig 1998).

a) Interface lisa (Rn<0,01).

O coeficiente de atrito é muito menor que o atrito interno do solo e não ocorre

dilatância. Estudos feitos por Dietz (2000) com Rn entre 0,0005 e 0,005 em várias

areias, mostram que a resistência de pico da interface não é dependente da rugosidade

normalizada nesta faixa (Figura 2.34). Na figura 2.34a, os pontos representados pelos

mesmos símbolos correspondem a provas na mesma areia em contato com o mesmo

metal e com rugosidade diversa.

Figura 2.34. Evolução do atrito de pico na interface com rugosidade normalizada.

b) Interface Rugosa (R

>0,5).

Neste caso, ocorre dilatância. A rugosidade acaba exercendo um efeito no atrito de pico

desde que a resistência apareça na amostra de solo e não na interface (Figura 2.34).

c) Rugosidade intermediaria (0,01<R

<1).

Nesta zona, verifica-se um rápido incremento da resistência ao atrito com a rugosidade.

Na prática, as interfaces reproduzidas nos modelos são ambas rugosas ou lisas. Para

obter-se uma modelagem correta da interface é, portanto, necessário que a rugosidade

normalizada R

do modelo apresente-se na mesma faixa da observada no protótipo.

Uma abordagem diferente foi apresentada por Sharma (1994) onde se conhecido o

coeficiente de atrito entre o solo e as paredes da caixa do modelo podem-se determinar

as cargas normais totais agindo nas paredes da caixa com as seguintes equações (Figura

2.35):

Figura 2.35. Estimação do atrito entre o solo e as paredes da caixa.

BHKBHKNN

aaBA

γγ

+== (2.76)

BHKN

= (2.77)

)(1

cri

sin

−

(2.78)

Considerando agora como exemplo, φ

cri

= 37

, γ= 10,05 kN/m

tem-se K

=0,25. Se

N=12,6 e a inclinação do talude 80

têm-se H=1m, B

=0,176m, B

=2,5m e B

=1,41m.

=3,21 KN e N

=1,77 kN. Adotando agora um coeficiente de atrito entre o solo e

a caixa de 0,27, as componentes de atrito serão F

=0,86 kN e F

=0,48 kN. A forca

de atrito total nas paredes da caixa será 2,2 kN. Esta forca é contrária ao peso do corpo

do resíduo W igual a:

∗∗∗++=

3221

)(

BHBBBW

W=36,67 kN. Considerando estes resultados na análise numérica, o talude do resíduo

pode-se reduzir a W

=W-F = 36,67 – 2,2 = 34,47 kN. Este valor pode ser atingido

reduzindo a massa específica do resíduo de 10,05 kN/m

a 9,50 kN/m

Efeitos de construção

Os problemas de construção são comuns. É muito difícil escavar ou construir durante a

centrífugação. O solo torna-se muito pesado e qualquer equipamento precisa ser

pequeno, de pouco peso e muito resistente. Embora existam muitas dificuldades, novas

tecnologias vêm sendo desenvolvidas. No processo de construção, é importante definir

primeiramente os detalhes essenciais da modelagem. Como exemplo, pode-se citar a

modelagem do processo de construção de um aterro sobre argila mole onde o

comportamento da cimentação pode ser considerado como a parte essencial da

investigação. Muitos fabricantes de centrífugas elaboraram um alimentador que pode

ser utilizado para simular o aterramento feito com areia seca durante o processo de

centrífugação. Contudo, é possível ainda estudar a cimentação submetida a esta carga e

alguma variação no comportamento quando, por exemplo, técnicas de melhoria de solos

são empregadas.

Em estudos sobre fundações, Craig (1983) considerou os efeitos de construção no

contexto de modelagem das estacas. No desempenho de estacas de baixa capacidade de

carga lateral poderia ser razoável adotar a abordagem simples de instalar as estacas

antes de iniciar o ensaio. Embora a distribuição de tensões devido à instalação não

esteja sendo corretamente modelada, esta produzirá um efeito menor sobre a abordagem

global. No entanto, se o objetivo é estudar o desempenho de estacas de baixa capacidade

de carga axial, é essencial que a instalação das estacas se efetue durante a centrífugação,

já que a capacidade de carga é dependente das tensões laterais desenvolvidas durante a

instalação.

Efeito de Coriolis

O efeito de Coriolis aparece na centrífuga quando alguma partícula qualquer se

movimenta no solo do modelo. Este efeito é considerável no caso de simular terremotos

onde as partículas se movimentam com considerável velocidade. Para baixas

velocidades, como por exemplo, a velocidade de percolação, este efeito pode ser

ignorado. A força de Coriolis F

para uma partícula com velocidade v

é dada por:

= 2 m w v

sen θ (2.79)

Onde

m = massa do solo;

w = velocidade angular;

= velocidade da partícula;

θ = Inclinação da superfície do modelo medida desde a horizontal.

Se w e v

estão na mesma direção da rotação da centrífuga ou as partículas permanecem

em repouso, o efeito de Coriolis é nulo.

Tem-se pela Equação (2.79) A

=2wv

. Comparando-se esta aceleração com a magnitude

da aceleração centrípeta constante a

centro de rotação (eixo de rotação vertical). Há, no entanto, uma componente lateral de

aceleração, que precisa ser considerada. Seja, por exemplo, o caso de um modelo que

tem a espessura média de 200 mm e um raio efetivo de 1,6 m, esta aceleração lateral

tem, em geral, um valor máximo de 2/16 ou 0,125 vezes a aceleração vertical. Isto

poderia ser significante se existisse uma maior área de atividade próxima às paredes do

container. É uma boa prática considerar que os eventos principais acontecem na região

central do modelo onde o erro devido à natureza radial do campo de aceleração é

pequeno (Taylor, 1995).

O efeito da aceleração gravitacional num plano horizontal de rotação resulta crítico para

baixos valores de N. Para verificar este efeito basta um simples ensaio, utilizando-se só

água no tambor. Com N=10 pode-se observar a influência gravitacional sobre a

superfície de água. Com N=40 a superfície de água esta quase vertical. Este último

valor seria o mínimo valor a utilizar na centrífuga (Gurung, 1996).

2.4.4 Estudos de modelos centrífugos

Não existem restrições para o estudo de um protótipo particular com vistas à melhoria

do projeto. Mas, geralmente, os estudos centrífugos são conduzidos buscando o

entendimento geral de eventos, onde os mecanismos de comportamento podem ser

melhores interpretados. As provas centrífugas podem ser realizadas com diferentes

objetivos. Segundo Taylor (1995), as seguintes categorias podem ser identificadas.

- O estudo de um problema particular (por exemplo, um aterramento) para o qual há

algumas dificuldades na definição do projeto. Há claramente a necessidade de

reproduzir no modelo as características essenciais do protótipo. Sendo assim os

resultados do modelo são extrapolados para o protótipo;

- Quando não se tem em consideração o estudo de um protótipo, a investigação é

dirigida fazendo-se hipóteses gerais acerca de uma classe particular de problema,

por exemplo, a estabilidade de muros de retenção ou as deformações causadas pela

construção de um túnel;

- Estudos específicos das variações de tensão e deslocamentos relevantes a um tipo

particular de problema. O propósito destes testes é obter informações do

comportamento do solo que possam ser de utilidade para modelos constitutivos ou

alguma outra análise específica.

Destas categorias, a segunda é a mais aplicável à maioria dos estudos em centrífuga.

Em muitos ensaios, é importante saber o efeito de certos parâmetros, freqüentemente

referidos à geometria, os quais influênciam o mecanismo da deformação ou colapso.

Estudos paramétricos podem ser executados com êxito usando uma centrífuga desde

que seja possível ter um bom controle sobre o solo modelado. Nesse sentido, é possível

determinar certos parâmetros não determináveis sob outras formas de análise.

Um princípio muito utilizado quando não se utiliza um protótipo a escala natural é a

Modelagem do modelo, discutido, entre outros, por Ko (1988) e mostrado na Figura

2.36. Pode-se verificar que o mesmo protótipo de 10 m de altura poderia ser modelado a

escala total de 1/10 ou 1/100 nos pontos A1, A2 e A3 respectivamente

O fator de escala geométrica para o modelo é selecionado para representar a situação do

protótipo em estudo dentro do container com um efeito mínimo de fronteira. A escolha

do fator de escala será restrita pela dimensão máxima do modelo, a mesma que está

referida à capacidade de suporte da centrífuga e ao domínio operacional da mesma. Em

geral, o fator de escala pode ser tão baixo quanto possível para maximizar a dimensão

do modelo: modelos pequenos são mais difíceis de instrumentar e mais sensíveis à

presença de instrumentação e ao processo de construção do modelo.

Figura 2.36. Principio Modelagem do modelo (Apud Ko 1988).

O nível de aceleração centrífuga apropriada é normalmente idêntico ao fator de escala

geométrico, mas provavelmente diferente quando utilizados materiais equivalentes

parcialmente similares (Craig 1993). A aceleração centrífuga cresce linearmente com o

raio.

Idealmente, devem-se ter as camadas do modelo formadas com a mesma curvatura da

centrífuga. A maioria dos ensaios com centrífuga é realizada com camadas niveladas. Se

a largura da caixa que for conter o solo é aproximadamente 20% do raio da centrífuga

na direção circunferencial, então uma aceleração lateral de 10% da aceleração

centrífuga será induzida na extremidade externa dos estratos nivelados. Este efeito pode

ser minimizado colocando a área de interesse ao longo da linha central da caixa.

Outra consideração é sobre os fatores de escala de tempo que são determinados

considerando o nível de aceleração centrífuga apropriado, N, utilizando as leis de

escala. Com base nos fatores de tempo, a freqüência de atuação do solo do modelo pode

ser estabelecida. O método de atuação e o poder de atuação requerido podem então ser

selecionados.

A freqüência de atuação pode induzir também efeitos inerciais que não existem no

protótipo. A freqüência de atuação deve ser então, reduzida a níveis mais manipuláveis.

Esta variação não deve causar uma mudança significativa na dissipação de poropressão.

Modelos centrífugos

Na literatura existem muitos trabalhos em centrífuga aplicados a diferentes problemas

de engenharia. Em relação à estabilidade de taludes e reforço de solos serão

mencionados alguns dos trabalhos pesquisados.

Ovesen & Krarup (1982) realizaram um dos primeiros trabalhos em centrífuga.

Estudaram o comportamento de taludes reforçados com geotêxtil apoiados em argila

mole normalmente adensada. O objetivo do trabalho foi avaliar a influência do geotêxtil

na estabilidade e recalque dos taludes. A fundação de argila foi adensada a N=50 e após

o adensamento foi levantado o talude de areia seca com a centrífuga em repouso. A

deformação da argila foi monitorada com 9 LVDTs e foi fotografado o perfil da

fundação e talude ao longo dos ensaios. Concluíram que a estabilidade de taludes sobre

argila mole normalmente adensada pode ser melhorada consideravelmente com a

utilização de reforço como o geotêxtil.

Terashi & Kitazume (1988) Realizaram ensaios de centrífuga em taludes reforçados

apoiados em argila mole normalmente adensada e ligeiramente adensada. Eles

simularam o processo de construção de taludes injetando areia em vôo sobre a fundação

de argila. Como reforço foi utilizado poliéster não tecido com uma resistência de pico

de 0,72 kN/m em 135% de deformação. O talude foi construído com areia fina com

coeficiente de uniformidade de 1,38 e D

=0,13mm. A deformação foi determinada

tirando fotografias durante o ensaio. Os autores observaram que no caso dos taludes

reforçados construídos sobre argila normalmente adensada, a ruptura da fundação

precedeu a ruptura rotacional global. Concluíram que o comportamento mecânico do

talude reforçado e a função do reforço são influênciados pela configuração geométrica,

a resistência da argila e o estado de carregamento.

Almeida et al (1985) avaliaram o comportamento de aterros arenosos sobre solos

compressíveis com medidas de poropressão e deslocamento (Figura 2.37). Um ensaio

com fundação reforçada na base do talude (drenos de areia) e outro sem reforço. No

primeiro caso o talude rompeu com 13m de altura e no segundo caso com 11,6m. A

utilização de drenos permitiu uma mais rápida dissipação de poropressão e uma

diminuição dos movimentos laterais e verticais do aterro em 50%, provocando no aterro

com drenos maior estabilidade. Como era esperado, na fundação virgem foram medidas

maiores deslocamentos laterais durante a etapa de consolidação.

Figura 2.37. Ensaios centrífugos de aterros sobre solos moles (Almeida et al, 1985).

Utilizando o mesmo equipamento Sharma & Bolton (2001) estudaram aterros com

características similares onde ademais de considerar o solo compressível com e sem

drenos, tomaram em conta a presença de um reforço de geotêxtil na base do aterro. Os

autores compararam resultados do modelo centrífugo com a análise de elementos finitos

(CRISP – Britto & Gum, 1990), encontrando resultados razoavelmente equivalentes

entre o modelo e a análise numérica. Para o caso do aterro reforçado em argila mole e

com drenos, a magnitude da tensão máxima no reforço foi ligeiramente maior que

naquela sem drenos. Ao mesmo tempo como esperado por eles, a fundação de argila

com drenos, atingiu o estado de poropressão hidrostática em menos tempo (2h) do que

aquelas tomadas pela argila sem drenos (6h).

Porbaha & Goodings (1996) estudaram a estabilidade de um aterro reforçado com

geotêxtil num modelo centrífugo. O geotêxtil foi fabricado especialmente para este

ensaio com uma espessura de 0,0002 mm e resistência à tração entre 1 a 2 vezes menor

que a do protótipo. O aterro do modelo foi preparado antes do início do ensaio (Figura

2.38) e no final do ensaio foi coletado solo do modelo para realizar ensaios de

cisalhamento.

Os modelos foram apoiados em dois tipos de fundação: i) Uma rígida, onde uma capa

de areia separava a base metálica do aterro (fundação rochosa rígida). ii) Uma firme,

onde o aterro se apoiava sobre uma capa de argila compactada de 19 mm de espessura,

com massa específica de 13,5 kN/m

e uma saturação de 78%.

Eles encontraram que o comportamento global de taludes no modelo sobre uma

fundação firme é melhor que outra idêntico em fundação rígida. A análise de

estabilidade, utilizando o método de Bishop simplificado com reforço, mostrou bons

resultados do comportamento do modelo.

Figura 2.38. Perfil de um modelo típico antes e depois da ruptura (Porbaha & Goodings, 1996).

Jessberger & Kockel (1993), ensaiaram modelos centrífugos de taludes verticais em

RSU com o propósito de ganhar informação do mecanismo de ruptura e conhecer as

propriedades de resistência. Eles utilizaram resíduo triturado de partículas com tamanho

inicial máximo de 10mm antes da trituração. O resíduo já triturado foi compactado em

capas de 5cm com o propósito de simular uma compactação real de campo. Para reduzir

o atrito das paredes da caixa do modelo com o resíduo utilizaram lâminas de vidro.

Depois disso a centrífuga passou a rotar a 50g para produzir o adensamento do modelo.

Na Figura 2.39 mostra-se o modelo preparado e os marcadores para medir o recalque

(TD). Com o incremento de aceleração o modelo de 40cm a 25g representa 10m de

altura e conforme a aceleração aumenta a altura aumenta proporcionalmente e a ruptura

de topo acontece a 60g aproximadamente, aparecendo algumas fissuras verticais na

superfície.

Figura 2.39. Esquema da preparação do modelo ensaiado (Jessbeger & Kockel, 1993).

Zornberg et al (1995) estudaram a estabilidade de taludes em areia reforçada com

geotêxtil em modelos reduzidos numa centrífuga braço de 419x203mm de seção por

300mm de altura. Para reduzir o atrito das paredes da caixa do modelo com a areia

empregaram vidro transparente em um dos lados da caixa e alumínio coberto com teflon

no outro.

O número de capas de reforço variou entre 6 e 18, com espaçamentos entre 12,5 e

37,5mm e com reforço de 203mm de longitude. Em cada reforço de geotêxtil foi

colocada uma capa de areia verde para identificar melhor a ruptura e a cada 25mm

marcas de cor preta para identificar os deslocamentos laterais. Após preparar a caixa a

areia foi pluviada utilizando um tubo de PVC controlando a altura e fluxo de queda da

areia para obter a massa específica relativa de 55 e 75%.

Deram-se incrementos graduais de N=5 até atingir a ruptura do talude, sendo que todo o

processo foi acompanhado com fotografias continuas. A Figura 2.40 mostra a ruptura de

um talude.

a) Antes da ruptura b) Depois da ruptura

Figura 2.40. Vista do modelo B18 após o ensaio na centrífuga (Zornberg et al, 1995).

Como resultado da experiência todos os modelos centrífugos romperam

aproximadamente pela mesma superfície de ruptura, o que significa que a localização da

superfície de ruptura independe do espaçamento entre reforços. Também, a estabilidade

de taludes reforçada resultou governada pela resistência ao cisalhamento de pico e não

pelo estado critico do ângulo de atrito do aterro.

Allersma et al (2002) estudaram a ruptura de um dique argiloso apoiado numa fundação

de areia, causada pelo incremento do nível de água. Para o estudo foi utilizado uma

centrífuga braço de 1,5 m de raio e para definir as deformações eles tiraram fotos ao

inicio do ensaio e ao final dele, com estes dados e os dados de fronteira obtidos nos

ensaios de caracterização do solo utilizaram o Plaxis para definição do estado de tensões

e deformações. A Figura 2.41 mostra uma foto depois da ruptura do modelo a 100g de

aceleração. Nela mostram-se também três pontos que definem a superfície de ruptura.

Figura 2.41. Superfície de ruptura de um dique, com coordenadas em cm (Allersma et al, 2002).

Os autores demonstraram que em mini centrífugas é possível modelar uma configuração

completa inclusive o lençol freático e os gradientes de pressão na capa permeável.

Syllwasschy & Jessberger (1998) efetuaram um estudo em centrífuga para muros de

contenção com especial consideração ao comportamento mecânico de um resíduo sólido

municipal. Os autores verificaram uma boa concordância entre resultados medidos e

cálculos para os momentos fletores observados nos ensaios.

No modelo centrífugo, o muro de retenção foi simulado com uma placa de alumínio de

440 x 350 x 5 mm (Figura 2.42). A deformação vertical foi medida por 21 strain gauges

colocados uniformemente nas faces interna e externa do muro. Transdutores de

deslocamento foram instalados na superfície para medir o recalque vertical do corpo do

resíduo. O resíduo foi colocado em camadas compactadas até obter 13 kN/m

. Do lado

direito, encontra-se o resíduo e do lado esquerdo uma escavação. Esta escavação foi

coberta por uma sacola de borracha impermeável e cheia de água até o mesmo nível do

resíduo. A escavação foi simulada tirando água durante o ensaio.

A simulação chegou a N=50 que resulta num muro de 22m e numa escavação entre 10 a

16 m de profundidade. Durante 30 minutos foi feito o adensamento com a respectiva

drenagem da água.

Figura 2.42. Teste muro fixo (Syllwasschy & Jessberger, 1998).

Devido a grande heterogeneidade do lixo, retiraram-se os componentes de grande porte

como os tijolos, tapetes, metais, etc. Depois, o lixo foi moído 3 a 5 vezes num moinho

elétrico. Foram retiradas as partículas maiores do que 32 mm.

Como resultado deste processo obteve-se materiais de propriedades tensão-deformação

similares (Figura 2.43). O valor máximo do ângulo de atrito foi 37,5

em ε = 30 % e

coesão c = 145kN/m

em ε = 45%

Figura 2.43. Comparação do resíduo original e do modelo (Syllwasschy & Jessberger, 1998).

3.1 Resíduos utilizados

a) São Sebastião

O município de São Sebastião encontra-se localizado a 199km de São Paulo capital. Faz

divisa com Caraguatatuba ao norte, Bertioga ao sul e Ilha Bela através do canal de São

Sebastião. Possui uma área de 401km

ocupada em grande parte pela Mata Atlântica. A

planície costeira é estreita e o litoral bastante recortado, composto por 42 praias com

alto potencial turístico.

A população fixa do Município é de aproximadamente 57 300 habitantes (IBGE –

Censo 2000) com densidade demográfica de 143 hab/km

. Em períodos de temporada a

população aumenta, podendo chegar a 44 041 pessoas a mais (Fundação Seada 2000)

alterando a rotina local e a demanda por água, coleta de esgoto e lixo.

A área do antigo Aterro da Baleia localizado a 2 km da praia, com 92 mil m

foi

utilizada pela Prefeitura de São Sebastião desde 1988, para dispor o lixo doméstico do

município e, desde essa época, a CETESB constatou a operação inadequada do

empreendimento (lixo descoberto, falta de drenagem, presença de catadores de lixo,

etc). Em março de 2000 foi inaugurada a central de Tratamento Mecânico biológico de

Resíduos de São Sebastião próximo à praia da Baleia, substituindo o lixão por um aterro

estabilizado. Este projeto da prefeitura contou com a cooperação da GTZ (Agência

alemã de cooperação técnica) e a empresa alemã FABER Serviço Ltda.

O aterro de São Sebastião é constituído por várias leiras de pré-tratamento e um aterro

de resíduos estabilizados, além do local designado para a triagem, homogeneização e

corte do resíduo. A Figura 3.1 mostra uma vista aérea do aterro de São Sebastião. A

Figura 3.2 mostra um perfil do talude de São Sebastião íngreme e superior a 3m de

altura. A Figura 3.3 mostra as leiras de São Sebastião e o aterro onde foram efetuados os

ensaios de campo.

Capítulo 3: MATERIAIS E MÉTODOS

Figura 3.1. Vista aérea do aterro de São Sebastião.

Figura 3.2. Corte vertical de talude superior a 3 m de altura.

Figura 3.3. Detalhes do aterro de São Sebastião.

A Figura 3.4 mostra uma leira em construção.

Figura 3.4. Leira em construção.

Método de pré-tratamento mecânico biológico de São Sebastião

Na fase mecânica do processo removem-se do resíduo recém chegado e com apoio de

catadores, plásticos, vidros, alumínio, metais e têxteis recicláveis. Os materiais grandes

não recicláveis (baterias, sofás, etc) são dispostos posteriormente no aterro sanitário.

Seguidamente a trituração e homogeneização do resíduo são efetuadas num caminhão

adaptado com facas especiais que permitem cortar todas as sacolas de plástico (Figura

3.5).

Figura 3.5. Detalhe trituração e homogeneização do resíduo no interior de um caminhão.

Na Fase Biológica o resíduo é disposto em leiras para o tratamento biológico aeróbio. A

Figura 3.6 mostra detalhes de uma das leiras de São Sebastião onde a base de Pallets e

tubos verticais foram utilizados para garantir a aeração passiva e saída de lixiviados.

Figura 3.6. Leira de São Sebastião.

O resíduo permanece nas leiras durante um tempo mínimo de nove meses. Durante esse

período para garantir o processo de decomposição aeróbia da matéria orgânica é

importante manter úmida a leira recirculando o próprio lixiviado ou com água. Depois

de terminada a fase biológica o resíduo resultante é disposto no aterro sanitário.

O material utilizado de São Sebastião corresponde ao resíduo estabilizado extraído de

uma das leiras. Este depois de seco ao ar foi preparado para os diversos ensaios

realizados e apresentados nos próximos capítulos.

b) Novo Hamburgo

O resíduo utilizado foi proveniente da Central de Reciclagem e Compostagem,

situada no bairro da Roselândia de Novo Hamburgo / RS, construída com recursos da

Prefeitura Municipal e do Programa Compensatório Sócio-Econômico da Petrobrás pela

passagem do Gasoduto Brasil - Bolívia - GASBOL. A inauguração da Central no ano

2000 provocou uma mudança radical e de grande importância para a melhoria dos

procedimentos de separação dos materiais triáveis, conseqüentemente, permitindo a

qualificação dos resíduos recicláveis. Benefícios diretos foram obtidos com a

qualificação das condições de trabalho dos mais de 100 trabalhadores ligados à

atividade recicladora. Onde antes havia um lixão, hoje encontra-se uma estrutura

composta por pavilhão com 1.200 m² de área construída e coberta, piso concretado e

duas esteiras separadoras rotativas com 37 metros de comprimento cada uma, que

permitem uma maior eficiência na triagem e separação dos materiais. Os caminhões

encarregados da coleta diária descarregam em media 180 t/dia na área de recebimento.

Através da ação dos recicladores, os sacos de resíduos recolhidos na cidade são abertos

e lançados na tulha dosadora, onde posteriormente caem nas esteiras de separação,

sendo transportados e classificados pelos catadores. Com esse trabalho são selecionados

os materiais recicláveis (papel, papelão, plásticos, vidros, metais) dos resíduos

orgânicos, os quais são encaminhados para o aterro sanitário, sendo ali dispostos. A

partir de maio de 2002 os materiais orgânicos foram direcionados para um novo sistema

de compostagem por aeração forçada, transformando-se em adubo num tempo mais

curto que a compostagem convencional. O adubo distribui-se para a comunidade local e

produtores rurais do bairro de Lomba Grande.

Muitos dos triáveis (lixo seco) são ainda pré-processados através de prensagem e

enfardamento, agregando valor aos resíduos que serão reciclados. Prensas hidráulicas

ajudam a compactar os grandes fardos de papel, papelão e plásticos. Uma vez

condicionados, os materiais são destinados às várias empresas compradoras, tanto da

Região Metropolitana de Porto Alegre, quanto para outras cidades da região.

Os líquidos percolados do aterro de resíduos (chorume) são canalizados e tratados em

duas lagoas de tratamento, onde por aeração forçada são mantidos microrganismos

envolvidos na depuração dos efluentes líquidos, para posterior lançamento no ambiente.

Quando em saturação os lodos são removidos, tratados desaguados em leitos de

secagem.

A Figura 3.7 mostra uma visão panorâmica do Aterro Sanitário de Novo Hamburgo.

Figura 3.7. Central de reciclagem e compostagem de RSU – Novo Hamburgo.

Método de pré-tratamento mecânico biológico de Novo Hamburgo

Nesta localidade, na fase mecânica, o resíduo recém chegado é disposto em local

coberto passando depois por uma triagem rigorosa com apojo de catadores. Os materiais

reciclados e comercializados são: embalagens do tipo Longa Vida (Tetrapack), garrafas

de água (PP), garrafas de refrigerante (PET), sacos plásticos (PEBD), copos e bandejas

(PS), baldes, bacias e frascos (PEAD), papelão, latas de alumínio, papel branco, jornais

e vidros (Figura 3.8).

Figura 3.8. Materiais reciclados.

O material reciclado é prensado para sua comercialização (Figura 3.9).

Figura 3.9. Pacotes de metais, PET e papelão.

Os resíduos resultantes do processo mecânico (orgânicos principalmente) são

direcionados com caminhões para outra etapa de transformação do lixo (etapa

biológica). A matéria orgânica é transformada em adubo num ambiente confinado

(Figura 3.10). No interior de baias cobertas, o material orgânico se transforma em adubo

pela ação de bactérias, fungos e outros organismos. A ação dos microorganismos é

controlada utilizando temperatura média de 60º. A umidade e a aeração constante

aceleram o processo (Figura 3.11). A aeração é injetada pela parte de trás da baia

através de um sistema de bombas.

Figura 3.10. Fase Biológica: a) Orgânicos b) Baia e c) colocação do resíduo.

Figura 3.11. Fase Biológica: a) Saturação b) Baia coberta e c)aeração.

As baias são abastecidas com os materiais orgânicos e cobertas com lonas especiais,

possibilitando a realização do processo em tempo acelerado. Após 33 dias os resíduos

são peneirados (peneiras de 10, 15 e 20 mm) e o composto está pronto para a fase de

maturação (Figura 3.12). Após 10 dias o adubo pode ser utilizado. O material retido nas

peneiras é disposto formando aterros sanitários.

a) Retido para caminhão (Aterro). b) Peneiramento a 10, 15 e 20 mm. c) Ingresso do resíduo estabilizado.

Figura 3.12. Peneiramento do resíduo estabilizado.

O trabalho de controle exige o direcionamento das águas contaminadas para o sistema

de tratamento. Turbos misturados fornecem oxigênio para a atividade de

microrganismos existentes nas lagoas de aeração. A poluição é reduzida antes dos

líquidos serem lançados no ambiente.

O material de Novo Hamburgo utilizado no projeto corresponde ao composto com

tamanho máximo de partícula de 20 mm. O resíduo foi seco ao ar e preparado para os

diversos ensaios feitos durante o projeto.

3.2 Ensaios de caracterização geotécnica

Segundo os objetivos do projeto os ensaios foram divididos em duas etapas: Antes da

trituração e depois da trituração.

Para execução dos ensaios foi preciso ter em consideração o tamanho máximo de

partícula que os diversos equipamentos utilizados permitem. Por exemplo, o

equipamento de cisalhamento direto da UFRJ de 6x6x4,16cm permitiu um tamanho

máximo de partícula de 9,50mm.

Nos ensaios em centrífuga, a detalhar no item 3.3, o resíduo triturado foi aquele com

tamanho máximo de partícula de 9,50mm. Este uma vez triturado (φ < 0,2 mm), foi

utilizado para fazer ensaios de cisalhamento direto sem e com adição de plástico.

Uma vez feitos os ensaios antes e depois da trituração foi preciso comparar as

envoltórias tensão-deformação do resíduo de 9,50mm com aquele de 0,2 mm. Deve-se

verificar se ambos têm envoltórias parecidas. Tal fato garante que os resultados obtidos

com material triturado na centrífuga (modelo) possam ser extrapolados a aterros de

tamanho natural (protótipo).

O resíduo utilizado nos diversos ensaios foi seco ao ar atingindo-se umidades de 2,8%

em São Sebastião e 10,4% em Novo Hamburgo. Utilizou-se para os ensaios uma estufa

calibrada em 60ºC.

3.2.1 Distribuição gravimétrica de materiais do RSU

Este ensaio foi feito com material seco ao ar onde para facilitar a execução do ensaio

grav

A massa específica e umidade média do resíduo em São Sebastião foi possível de se

obter com o Percâmetro (Carvalho 2002 e 2006).

O Percâmetro é um cilindro metálico que permite extraer amostras indeformadas in situ

sem alterar suas propriedades físicas. Uma retro-escavadeira foi utilizada previamente

para retirar a camada superior do aterro (1m de profundidade). O cilindro foi cravado

nessa profundidade com ajuda da retro-escavadeira até o resíduo prencher totalmente o

cilindro. Seguidamente o cilindro foi fechado na base e topo com laminas metálicas

adaptadas especialmente para o resíduo não perder umidade e fazer posteriormente no

laboratório ensaios de massa específica, umidade, permeabilidade e capacidade de

campo.

Não foi possível obter amostras de Novo Hamburgo.

Foram extraídas três amostras de campo. O resultado foi obtido de duas amostras

porque a terceira foi perdida durante a manipulação em laboratório.

3.2.5 Lixiviação e solubilização

Utilizou-se resíduo passante da peneira de 2 mm segundo os procedimentos das normas

NBR 10004, NBR 10005 e NBR 10006.

O ensaio de lixiviação determina a capacidade de transferência de substâncias orgânicas

e inorgânicas presentes no resíduo sólido, por meio de dissolução no meio extrator.

O ensaio de Solubilização tem uma duração de 7 dias e nele o resíduo permanece

dissolvido em água destilada durante esse período antes da análise da proporção de

metais pesados.

3.2.6 Curva de sucção

Este ensaio foi efetuado na EMBRAPA com resíduo passante da peneira #40 (0,42mm).

A metodologia empregada por centrífugação (Freitas E. & Da Silva E. M. 1984)

proporcionou valores de umidade volumétrica e sucção matricial necessários para

ajustar a curva de sucção.

Para a determinação da curva de sucção foi utilizada a equação de Van Genutchen

(1980):

( )

αψ

θθ

−

)(

(3.1)

Onde,

ψ - sucção matricial (cm);

θ - umidade volumétrica;

- umidade volumétrica de saturação;

- umidade volumétrica residual;

α - parâmetro de ajuste da curva (1/cm);

n,m - parâmetros de ajuste; e

m = 1-1/n

Os parâmetros da equação θ

θθ

αα

, n e m

e ajuste da curva de sucção foram obtidos

mediante a utilização do programa CURVARET desenvolvido por Van Lier & Neto

(1991).

3.2.7 Carbono orgânico

Foi determinado utilizando duas metodologias: O método da EMBRAPA e TOC.

a) Método da EMBRAPA

O método consiste na oxidação da matéria orgânica via úmida com dicromato de

potássio em meio sulfúrico e/ou aquecimento. O excesso de dicromato após a oxidação

é titulado com solução padrão de sulfato ferroso amoniacal (sal de Mohr).

O conteúdo de carbono é dado por:

CU (g/kg) = (40-volume gasto)*f*0,6

Onde

f = 40 / volume sulfato ferroso gasto na prova em branco.

b) TOC

Os ensaios foram feitos pela Pontifícia Universidade Católica – PUC em amostras de

resíduo estabilizado seco ao ar passante pela peneira de 0,42 mm.

No procedimento utilizado os filtros secos foram descarbonatados por uma noite em

dessecadores contendo vapor de HCl. O procedimento de descarbonatação das amostras

líquidas foi realizado pela acidificação com solução HCl 1 M até pH entre 2 e 3. O

volume de ácido introduzido à amostra foi previamente testado sendo fixado em 50 µL.

Após a adição do ácido, as amostras foram purgadas com O

no próprio equipamento de

medição por cerca de 5 minutos e, em seguida, imediatamente injetadas no analisador

de carbono. As determinações foram conduzidas em um auto-analisador de carbono da

marca Shimadzu, modelo TOC-5000 A com módulo para amostras sólidas SSM-5000

O princípio de funcionamento do auto-analisador de carbono se baseia na queima

catalisada a alta temperatura da amostra. Como as concentrações de carbono orgânico

em amostras ambientais de água são em geral baixas, utilizam-se catalisadores de

platina de alta sensibilidade para que ocorra a oxidação completa da matéria orgânica

presente a CO

e posterior leitura deste gás em detector de infravermelho. A

concentração da amostra foi obtida a partir do levantamento de uma curva de calibração

feita com soluções padrões de fitalato de potássio de concentrações conhecidas. Estas

soluções foram utilizadas tanto para a análise de COD (Carbono orgânico dissolvido)

quanto para a de COP (Carbono orgânico particulado). Como nas análises dos

nutrientes, somente foram consideradas curvas de calibração com coeficientes de

correlação superiores a 0,99. Paralelamente às amostras, também foram injetados no

equipamento brancos do procedimento analítico, constituídos de água Milli-Q, sendo

que a diferença entre os valores de área obtidos nestes brancos dos de água Milli-Q

foram descontados das amostras.

O valor de área dado pelo equipamento foi convertido em massa de carbono orgânico

pela curva de calibração e em concentração (mg L

-1

) com o volume filtrado.

Considerando-se a massa de material particulado foi obtido o percentual de carbono

orgânico. Nas amostras de água o resultado foi expresso em mg de COD em um litro de

amostra.

Todo o material que esteve em contato com as amostras foi descontaminado para a

análise de compostos orgânicos a nível traço por aquecimento em mufla, a 450

C, por

uma noite.

3.2.8 Análise Microbiológica

A análise foi feita com material passante da peneira 0,42 mm no Departamento de

Recursos Hídricos e Meio Ambiente. O método utilizado para o preparo e análise da

amostra do resíduo foi uma adaptação do método de Franz Schinner et al (1996).

Pesou-se 10g de material em espátula estéril (rinsar com álcool e flambar) e transferiu-

se para um frasco graduado de 100ml. Adicionou-se uma solução salina (NaCl 0,9%)

até completar 100ml e agitou-se por 30 minutos a 150RPM e temperatura de 31ºC

(ambiente).

A análise microbiológica de bactérias heterotróficas mesofílicas (Método CETESB),

fez-se com a contagem, determinada por plaqueamento em profundidade (Triplicata),

utilizando o meio Plate Count Agar for Microbiology (Merck), cuja composição é de

peptona de caseína (5,0), extrato de levadura (2,5), D+glicose (1,0) e Agar Agar (14,0).

Finalmente fez-se a leitura após 48 horas de incubação em estufa incubadora regulada a

350ºC.

3.2.9 Coliformes totais e fecais

Os ensaios foram realizados com material passante da peneira 0,42mm no laboratório de

Engenharia do Meio Ambiente DRHIMA/UFRJ, Utilizou-se os Métodos FEEMA – MF

404 e 405 onde as diluições foram feitas conforme recomendado por Andreoli & Bonnet

(1998).

3.2.10 Análise mineralógica

Fez-se a análise mineralógica da argila e areia por separado com o método do Manual

de Métodos de Análise de Solo da Embrapa. Para tal fim foi retirada toda a parte

orgânica dos resíduos antes da análise da areia com Lupa Binocular e da argila com o

Difratograma de Raios X.

3.2.11 Infravermelho

A radiação no infravermelho em freqüência menor que 100cm

-1

converte-se, quando

absorvida por uma molécula orgânica ou inorgânica em energia de rotação molecular. O

processo de absorção é quantizado, e em conseqüência, o espectro de rotação das

moléculas consiste em uma serie de linhas.

A radiação infravermelha na faixa aproximada de 10000 a 100cm

-1

converte-se, quando

absorvida em energia de vibração molecular. O processo também é quantizado, porem o

espectro vibracional costuma aparecer como uma serie de bandas em vez de linhas,

porque a cada mudança de nível de energia vibracional corresponde uma serie de

mudanças de níveis de energia rotacional. As linhas se sobrepõem dando lugar às

bandas observadas.

Os ensaios foram feitos com material passante da peneira de 0,42mm seco ao ar.

3.2.12 Permeabilidade

Esta foi calculada em laboratório utilizando o método de carga constante com resíduo

seco ao ar, passante pela peneira de 2 mm, com massa específica inicial de 0,99g/cm

umidade inicial de 2,8%.

Só foi possível fazer ensaios de campo em São Sebastião, local onde se empregou o

Percâmetro (Carvalho 2002). O equipamento permitiu realizar ensaios de carga

constante em amostras inalteradas obtidas diretamente do aterro com amostrador

cilíndrico metálico: diâmetro 16,4 cm altura 17,7 cm e espessura 0,7 cm.

3.2.13 Ensaio de compactação

Para execução dos ensaios em ambas as amostras foi considerada a norma ABNT. NBR

7182/84, Solo - Ensaio de Compactação – Procedimento. No projeto foi empregado o

Proctor Normal com resíduo passante pela peneira de 4,8 mm.

3.2.14 Capacidade de Campo

Para determinar a capacidade de campo de São Sebastião, foi utilizado o Percâmetro

segundo metodologia descrita por Carvalho (2006).

Neste ensaio foram utilizados três cilindros metálicos para amostragem indeformada. As

três amostras foram levadas ao laboratório onde se executou o ensaio (uma das amostras

foi perdida). O ensaio permitiu determinar o índice de vazios, a permeabilidade, a massa

específica e a umidade de campo. Depois de terminado o ensaio de permeabilidade foi

possível determinar a capacidade de campo θ

med

Não foi possível executar o ensaio em Novo Hamburgo.

3.2.15 Ensaios triaxiais

O propósito destes ensaios foi determinar o comportamento geomecânico do resíduo de

São Sebastião em altas e baixas tensões e o ganho de resistência pela variação da

proporção do reforço quando incrementado o tamanho de partícula de 0,9 cm a 1,9 cm.

O resíduo utilizado de São Sebastião antes dos ensaios foi seco ao ar e a massa

específica utilizada nos ensaios foi de 0,79g/cm

para resíduo passante da peneira de

9,50mm e 0,69g/cm

para resíduo passante da peneira de 19 mm. O resíduo não foi

saturado durante os ensaios.

Foram utilizadas amostras preparadas com diâmetro de 10,16cm por 15,6cm de altura.

A velocidade do ensaio foi de 0,457mm/min. Tomou-se especial cuidado em colocar

graxa no topo e base da amostra para reduzir o atrito nestas zonas durante os ensaios de

ruptura.

Para manter o corpo de prova estável em cada ensaio utilizou-se vácuo de 8kPa. Após

preparado o corpo de prova, a pressão de ar foi mantida constante (Figuras 3.13 e 3.14).

a) Tubo 4” para montar amostra. b) Amostra sem tubo

Figura 3.13. Preparação para ensaio triaxial.

Figura 3.14. Corpo de prova pronto para ensaio triaxial.

Uma vez montado o corpo de prova na câmara triaxial aplicava-se a pressão de

confinamento variável entre 10 e 500kPa. Imediatamente depois de aplicado o

confinamento a chave de pressão de ar (vácuo) era liberada à pressão atmosférica.

Seguidamente permitia-se ao corpo de prova adensar por um tempo meio de 15 min no

confinamento desejado, até o incremento de recalque secundário se tornar muito baixo.

Após o adensamento o corpo de prova era submetido à ruptura. O tipo de ensaio

utilizado foi o CD (Consolidado drenado), com resíduo seco durante tudo o ensaio.

Para os ensaios de tensões confinantes baixas entre 0 e 100kPa utilizou-se o vácuo como

tensão confinante, com o propósito de estudar a relação entre as deformações nos eixos

x-y (Figura 3.15). A deformação vertical foi determinada com um extensômetro e a

deformação horizontal foi a soma das leituras de dois extensômetros alinhados

diametralmente e no centro da altura da amostra.

Figura 3.15. Ensaio triaxial aplicando vácuo.

3.2.16 Ensaio de cisalhamento direto

Os ensaios de cisalhamento direto foram feitos utilizando resíduo natural e resíduo

triturado numa velocidade de ensaio de 0,77cm/min e com resíduo seco ao ar. O

equipamento utilizado da UFRJ tem dimensões de 6 x 6 x 4,16cm e deformação

horizontal máxima de 15mm.

Foram feitos ensaios variando a massa específica, tamanho de partícula e proporção de

fibras em material triturado e não triturado.

Inicialmente foram feitos ensaios com resíduo passante da peneira 9,50 mm e 2 mm.

Foram testadas duas massas específicas uma denominada fofa onde o resíduo era

colocado caindo de uma altura de 1 cm e outra compacta onde foi preciso vibrar 10min

e aplicar uma carga de 2kg durante a vibração. O número de ensaios foram os

necessários para definir os parâmetros de resistência nos diferentes casos.

Só foi possível fazer estudos de centrífuga com material de São Sebastião, por este

motivo só foram feitos estudos de cisalhamento com resíduo triturado desta localidade.

A título de verificação da influência do tamanho de partículas (quantidade de fibras)

foram efetuados ensaios com o resíduo passante na #9,50mm e com o material triturado,

onde o tamanho máximo após a trituração foi de 0,2 mm. A trituração foi feita num

moinho de discos tentando manter uma gradação proporcional do lixo não triturado. Os

ensaios foram conduzidos nos estados fofo e compacto, segundo procedimento

anteriormente descrito.

Adicionou-se ao material triturado plásticos nas proporções de 0,05 e 0,15% com o

propósito de verificar a influência do plástico no comportamento geomecânico. O

plástico (0,5x0,5cm de seção) foi posicionado em 2 camadas de forma uniforme (Figura

3.16) e horizontal.

Figura 3.16. Ensaio de cisalhamento – Adição de plástico no resíduo triturado.

Foram efetuados ensaios adicionais de cisalhamento direto com resíduo triturado sem

adição de água e com adição de plástico 1D (0,2x1,25cm) e 2D (0,5x0,5cm), para

baixas tensões (<100kPa) e massa específica de 1,20 g/cm

equivente à massa específica

utilizada na centrífuga. O plástico (0,15%) foi misturado aleatoriamente com o resíduo.

Para conseguir a massa específica de 1,20g/cm

a forma de compactação foi equivalente

à utilizada na centrífuga. Utilizou-se uma barra de aço de seção quadrada de 2x2x13cm.

A compactação foi feita numa única camada aplicando-se 25 golpes com a barra

proporcionalmente à superfície do equipamento. Para conseguir uma boa compactação

foi preciso criar uma altura adicional no perímetro da caixa de 2 cm. Após a

compactação a lâmina adicional de 2cm de altura era retirada para alinhar a superfície

do corpo de prova até atingir os 4,16cm.

Foram também efetuados ensaios de cisalhamento de grande dimensão com resíduo

seco ao ar, tamanho máximo de partícula 19 mm e, resíduos provenientes de ambos

locais de investigação. O equipamento de grande porte desenvolvido no ITA (Rimoli,

1986; Vidal et al, 1988) e, conforme descrito por Gomes (1993), é constituído por um

conjunto de duas caixas de 400x250x100 mm, montada em uma estrutura de

sustentação e associadas a uma prensa de ensaios convencional.

O espaçamento entre as caixas pode ser ajustado com o deslocamento da metade

superior verticalmente ao longo da estrutura de sustentação através de um sistema de

roldanas e cabos de aço. Esta metade superior é selada por uma placa rígida, dotada de

rótula de articulação, para a transmissão das cargas verticais. A caixa inferior está

apoiada em um sistema de trilhos e rolamentos, capaz de minimizar os esforços de atrito

com a base de suporte.

A viga de 4 m de comprimento possibilitou a aplicação de cargas normais de até 30 kN.

Antes de iniciar os ensaios calibraram-se as constantes de tensão normal e tensão

horizontal. As Figuras 3.17 e 3.18 mostram alguns detalhes do equipamento utilizado.

Figura 3.17. Ensaios de grande dimensão no ITA – Aparelhos calibrados.

Figura 3.18. Ensaios de grande dimensão no ITA – Caixa.

Finalmente os resultados foram comparados e avaliados, principalmente a equivalência

entre as envoltórias tensão deformação do Resíduo de São Sebastião antes e depois da

trituração (9,50 mm e 0,2 mm respectivamente). Busca-se verificar se existe

equivalência entre os dois resíduos. Esta verificação faz-se necessária, pois nos estudos

na centrífuga utilizou-se o resíduo triturado.

Na Tabela 3.1 mostra-se um resumo dos ensaios de cisalhamento feitos na pesquisa.

Tabela 3.1. Resumo Ensaios de cisalhamento efetuados.

3.3 Ensaios em centrífuga geotécnica

3.3.1 Introdução

Busca-se nos estudos de modelagem em centrífuga verificar os mecanismos de colapso

e retro-analisar parâmetros de resistência. Os resultados foram comparados com os

obtidos através de ensaios triaxiais e de cisalhamento direto efetuados e cotejados com

valores encontrados na literatura.

Os valores encontrados são representativos de protótipos onde o material empregado

seja resíduo estabilizado e seco. Naturalmente é também possível utilizar resíduo

estabilizado misturado a outros materiais (ou saturado), mas estas condições estão fora

do escopo do presente trabalho.

3.3.2 Situação atual do equipamento

A mini centrífuga de tambor da COPPE-UFRJ adquirida em 1994 junto à G-Max Ltd

encontra-se em operação no Laboratório de Geotecnia desde 1995 (Figura 3.19). A

centrífuga da COPPE tem sido empregada para a modelagem de problemas nas áreas de

geotecnia ambiental e de interação solo-estrutura.

O equipamento possui sete sistemas interdependentes que possibilitam a realização de

diversos tipos de ensaios.

O primeiro sistema

é composto por um motor eletro-

hidráulico capaz de bascular a centrífuga em 90

da posição de rotação para a posição

de montagem. Esse recurso permite uma posição otimizada para montagem de amostras.

O segundo sistema

é composto por um motor elétrico que controla a rotação do

tambor. O canal de amostras, dentro do tambor giratório, possui raio interno de 500 mm,

podendo atingir 450g (g = aceleração da gravidade) à 900 rpm, suportando uma carga

máxima de 90g-ton.

O terceiro sistema

é o computador de bordo que gira junto com o tambor da centrífuga

e ao qual são conectados todos os sensores de instrumentação do modelo. Esse sistema é

composto por uma placa mãe industrial Advantech, uma placa de vídeo, um

multiplexador analógico, três placas de condicionamento de sinal e três placas de

amplificação de sinal, com capacidade total de 16 canais. Tanto a potência quanto os

sinais são ligados ao meio externo através de anéis deslizantes.

O quarto sistema

é um atuador radial que permite simular em escala reduzida

carregamento e descarregamento utilizando-se um sistema de motor de passo e

controlador PARKER que permite levantar ou cravar qualquer elemento radialmente à

centrífuga.

O quinto

sistema

é um atuador angular que permite o arrastamento de

qualquer elemento tangencialmente no interior da centrífuga utilizando um sistema de

motor de corrente contínua atrelado a um tacômetro e um controlador.

O sexto sistema

é um computador industrial Advantech externo que faz a aquisição de dados através de

um programa especialmente desenvolvido para este fim. O computador externo e o

computador interno se comunicam através dos anéis deslizantes via porta serial RS-422,

sendo capazes de varrer os 16 canais em menos de 1s.

O sétimo e último

sistema

é um

multiplexador analógico externo que se comunica com a placa interna permitindo uma

varredura manual dos canais e que também possui quatro fontes diferentes de

alimentação para os sensores. Oliveira (2005) descreve minuciosamente cada parte e

características da centrífuga. Por tanto, estes temas não serão abordados na presente

Tese.

Figura 3.19. Centrífuga UFRJ.

3.3.3 Metodologia de ensaio

a) Equipamento utilizado e calibração

Além dos componentes próprios da centrífuga foram utilizados outros que serão

detalhados a seguir:

- Foi elaborada uma caixa em alumínio para os ensaios. Na caixa foi instalada

uma câmara filmadora para monitoração visual do talude através de um espelho,

conforme mostrado na Figura 3.20a;

- Foram construídas três lâminas de aço para modelar taludes de 45, 60 e 80

Estas lâminas são desmontáveis em duas partes para facilitar a construção do

talude (Figura 3.20b). As lâminas foram projetadas considerando a curvatura do

tambor da centrífuga.

a) Dimensões da caixa. b) Lâminas utilizadas.

Figura 3.20. Caixa utilizada na modelagem.

- Para evitar que o vidro quebre no ensaio foi preciso adaptar na caixa dois

canais verticais opostos para fixar o movimento vertical das lâminas (Figura

3.21);

Figura 3.21 Canais verticais de reforço.

- Foram implantados dois consoles para apoiar a lâmina durante a fase de

construção do talude e também, duas linhas de aço para proteção dos vidros

laterais (Figura 3.22a);

- Durante a realização do ensaio a parte superior da lâmina era mantida para

evitar a ruptura do talude quando da basculação da centrífuga para a posição

horizontal. Foi adaptado sobre a parte superior das lâminas um elemento de

fixação para evitar a sobrecarga do talude durante a centrífugação (Figura

3.22b);

a) Consoles da lâmina e reforço do vidro b) Apoio superior de lâmina.

Figura 3.22. Partes adicionais da caixa.

- Uma lâmpada de 20W e uma bateria de 12V foram empregados na

iluminação da caixa.

Para eliminar os efeitos de curvatura e deformação de imagem causada pela lente da

câmara e pelo espelho, respectivamente, foi necessário preparar uma malha do sistema

de eixos x-y. A malha feita em Autocad, impressa foi colada no vidro na fase preliminar

dos ensaios em centrífuga. Tiraram-se fotos com a câmara na condição de repouso e em

movimento. Feito isto a malha foi retirada e desenhada em Autocad. No final dos

ensaios a malha em Autocad era superposta às fotos e desta maneira os efeitos antes

mencionados pudessem ser corrigidos. Tal permitiu acompanhar deformações, a forma

da superfície de ruptura, altura do talude e inclinação do mesmo.

O sistema de eixos x-y da malha foi estabelecido com espaçamentos de 0,50cm. O eixo

x tangencial ao círculo formado pela centrífugação (mesmo raio) foi mantido constante.

O espaçamento no eixo y perpendicular ao eixo x variou proporcionalmente ao raio da

centrífuga. Isto é, as distâncias, inicialmente com 0,50cm, aumentaram com a redução

do raio da centrífuga. A seguir, será apresentado o procedimento utilizado na definição

do espaçamento vertical entre as linhas da malha.

Tem-se na centrífuga empregada (Oliveira, 2005) que:

f =

(3.2)

.3 ff =

(3.3)

Onde:

1 =

Freqüência da centrífuga;

2 =

Freqüência do motor;

R = 0,50 m = Raio na base da centrífuga;

g = 9,80m/s

= aceleração gravitacional;

N = Número de vezes a ser incrementada a aceleração gravitacional nos ensaios.

Isolando os valores tem-se:

f 4947,1

= (3.4)













2341,2

(3.5)

Adotando, por exemplo, N=12,6 e R=0,5m, na Equação (3.4) tem-se, f

= 7,5.

Substituindo f

na Equação (3.5), vem:

N = 25,2 R (3.6)

O espaçamento entre as linhas da malha deve ser proporcional ao valor de R, que varia

ponto a ponto na direção radial. Por exemplo, para R=0,5m nas condições do exemplo

(N=12,6) 1 cm equivale a 12,6cm. Já para R=0,4m, para manter no protótipo o mesmo

valor de 12,6cm, precisa-se aumentar o espaçamento entre linhas de 1cm para 1,25cm.

b) Ensaios efetuados

Inicialmente programou-se um total de nove ensaios que não levaram a resultados

conclusivos. Conduziram-se, em seguida, novos experimentos adotando-se uma

metodologia adaptada à anterior, que se apresentou mais adequada.

c) Procedimento

c.1) Ensaios preliminares

Ensaios preliminares foram efetuados com RSU triturado de São Sebastião com massa

específica de 10,5kN/m

. Os taludes foram construídos com a centrífuga em repouso

utilizando lâminas metálicas com três inclinações de talude 45 60 e 80° (Figura 3.20b).

O resíduo foi disposto livremente sem aplicar compactação, inicialmente com parte da

lâmina. Depois de terminada a disposição do resíduo colocava-se a parte superior da

lâmina.

A lâmina em contato com o talude era unida ao atuador radial da centrífuga através de

uma união adaptada para tal fim (Figura 3.23, 3.24 e 3.25).

De forma a evitar variações bruscas de rigidez, decidiu-se não posicionar o talude

diretamente sobre a caixa metálica. Abaixo do pé do talude tinha-se uma camada de

resíduo de 3,6cm de espessura.

Figura 3.23. União de aço de lâmina metálica com atuador radial.

100

Figura 3.24. Atuador radial e lâmina.

Figura 3.25. Partes principais dos ensaios preliminares.

As lâminas antes de serem instaladas eram untadas nos bordos com óleo para reduzir o

atrito com a caixa metálica e visando facilitar o levantamento da lâmina durante o

ensaio. Para eliminar o vácuo gerado no contato resíduo-lâmina quando do

levantamento, posicionou-se plásticos entre ambos os materiais com pequenas rasuras

que permitiam o fluxo de ar na superfície de contato.

Após a união da lâmina com o atuador radial, a centrífuga era levada na posição

horizontal onde foram instalados os contrapesos e iluminação.

101

Como resultado das limitações do atuador radial só foi possível utilizar N=12,6 como

valor máximo de centrífugação. Atingido o valor de N, procedia-se o levantamento da

lâmina. A Figura 3.26 mostra o antes e o depois de cada ensaio.

a) Antes do ensaio b) Talude em ruptura e deformado - N=12.6

Figura 3.26. Ruptura do talude na centrífugação.

Uma malha especialmente adaptada permitiu definir a superfície de ruptura e talude

inicial quando superposta às fotografias do processo de ruptura.

Foram programados três grupos de ensaios para cada inclinação de talude (Tabela 3.2).

Tabela 3.2. Ensaios preliminares na centrifuga com RSU triturado seco ao ar.

Fibras Seção fibras N° de ensaios Observações

Grupo 1 0 % - 3 Resíduo triturado

Grupo 2 0,15% 0,5x0,5cm [1D] 3 Sacolas de supermercado

Grupo 3 0,15% 0,2x1,25cm [2D] 3 Sacolas de supermercado

Observou-se, em todos os ensaios, que a rotura ocorria simultaneamente ao

levantamento da lâmina. A lâmina desempenhou um papel de contenção aos

movimentos laterais dificultando as análises.

No apêndice A apresentam-se as fotos relativas aos ensaios efetuados.

c.2) Ensaios adicionais

Nestes ensaios foram realizados três ensaios para cada uma das inclinações de 60 e 80°

e somente um ensaio para inclinação de 45° (Resíduo triturado sem adição de fibras),

102

ver Tabela 3.3. O resíduo foi reutilizado, sendo em cada grupo o mesmo para cada

inclinação. Compactou-se utilizando uma barra de aço de seção quadrada até atingir um

peso específico, γ, de 12 kN/m

Tabela 3.3. Ensaios adicionais na centrifuga com RSU triturado seco ao ar.

Fibras Seção fibras N° de ensaios Observações

Grupo 1 0 % - 45, 60 e 80° Resíduo triturado

Grupo 2 0,15% 0,5x0,5cm [1D] 60 e 80° Sacolas de supermercado

Grupo 3 0,15% 0,2x1,25cm [2D] 60 e 80° Sacolas de supermercado

Adotou-se o seguinte procedimento no preparo dos modelos. Com a centrífuga parada e

na vertical foi posicionada parte da lâmina, que dessa forma definiu a conformação do

talude. Para visualizar as deformações foram efetuadas linhas brancas com açúcar nas

laterais da caixa à medida que se procedia à colocação do resíduo (Figura 3.27). Uma

vez construído o aterro, retirava-se a parte lateral da lâmina e colocava-se a superior

antes de inclinar a centrífuga (Figura 3.22b).

Figura 3.27. Montagem do talude.

Para evitar o desenvolvimento de vácuo entre o resíduo e a lâmina posicionou-se entre

estes uma folha de plástico com pequenas aberturas que permitiram o livre fluxo de ar

em todo o contato durante a construção do talude.

Após a montagem, a centrífuga foi posicionada horizontalmente e em seguida foram

instalados os contrapesos. Utilizou-se uma bateria de 12V para gerar luz de 12watts.

Com o sistema pronto iniciava-se a centrífugação partindo com valores baixos de N até

valores próximos a N=100. Utilizou-se o programa iuVCR para tirar fotos antes do

103

início da centrífugação de forma a ter-se registradas as condições iniciais dos ensaios.

As imagens eram captadas no espelho.

Atingido o valor do N de ruptura procedia-se a tirar a foto para posterior retro-análise. A

Figura 3.28 mostra as condições iniciais e finais de um determinado ensaio.

a) Antes do ensaio b) Talude em ruptura e deformado.

Figura 3.28. Ruptura do talude na centrífugação.

As fotografias foram levadas ao Autocad para cotejamento com uma malha padronizada

(Figura 3.29).

Figura 3.29. Malha padrão.

Considerando a base da caixa como origem de coordenadas foi possível referenciar o

talude e a superfície de ruptura.

No apêndice B apresentam-se as fotos relativas aos ensaios efetuados.

104

4.1 Ensaios de caracterização geotécnica.

4.1.1 Distribuição gravimétrica dos componentes do RSU.

Na Figura 4.1 mostra-se resultados da gravimetria dos componentes de São Sebastião

antes do pré-tratamento. O resíduo utilizado corresponde a uma amostra diferente da

utilizada na pesquisa.

Na Figura 4.2 mostra-se resultados após pré-tratamento excutados com resíduo seco ao

ar.

Figura 4.1. Gravimetria dos componentes São Sebastião – antes pré-tratamento.

Figura 4.2. Gravimetria dos componentes São Sebastião – depois pré-tratamento.

Capítulo 4: APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

105

Nas figuras 4.1 e 4.2 o RSU de São Sebastião (SS) antes do pré-tratamento Tj4.08237 0 Td(é)T````````````````````````28237 0 Td(é)T%``28237 0 Td(é)T%``2836544 0 Td6entg

1U dUarf r trUãti

106

Observa-se que, em linhas gerais, os resultados encontrados nos diferentes aterros são

similares. Tem-se uma massa orgânica média de 58% e um total de fibras médio de

29%. Esses números são superiores aos usualmente encontrados em aterros de países

desenvolvidos (Izzo et al., 2006).

Nas Figuras 4.4 e 4.5 observam-se fotos da gravimetria dos componentes de RSU

a) Entre 2,4 e 4,8 mm b) Entre 4,8 e 9,50 mm c) Entre 25,4 e 38,1 mm

Figura 4.4. Gravimetria dos componentes São Sebastião (Pré-tratado).

a) Entre 2,4 e 4,8 mm b) Entre 4,8 e 9,50 mm

Figura 4.5. Gravimetria dos componentes Novo Hamburgo (Pré-tratado).

Observa-se das figuras que para diâmetros menores de 4,8 mm existe dificuldade na

identificação dos constituintes, por se encontrarem formando grumos, ou estarem

cobertos com material mais fino ou matéria orgânica. O plástico ou reforço só aparece

nitidamente a partir da peneira de 9,50 mm.

4.1.2 Granulometria

Na Figura 4.6 mostram-se os resultados dos ensaios efetuados nas amostras de Novo

Hamburgo e São Sebastião.

107

Figura 4.6. Granulometria da fração fina menor a 50,8mm.

Observa-se que São Sebastião sem defloculante apresentou menor proporção de finos,

pouco mais de 10% do encontrado com defloculante.

A Figura 4.7 mostra a curva granulométrica do RSU estabilizado correspondente ao

aterro de São Sebastião. Pode-se observar que os valores apresentam-se similares ao

verificado por Manassero et al (1996) para resíduos de 15 anos de idade e dentro da

faixa sugerida por Jessberger (1994), para RSU não pré-tratados.

Figura 4.7. Granulometria RSU pré-tratado São Sebastião vs RSU não pré-tratado Manassero et al

(1996) e Jessberger (1994).

108

Na Figura 4.8 mostra-se o resíduo de São Sebastião antes e depois da trituração.

Figura 4.8. Granulometria Resíduo pré -tratado e não triturado de São Sebastião.

Observa-se que a granulometria do resíduo foi reduzida de uma areia com 18% de finos,

a uma areia média com 48% de finos (13% argila e 35% silte).

4.1.3 Massa específica dos grãos,

ρρ

A massa específica dos grãos da parte fina (passante de 2mm) apresentou-se igual a

2,4g/cm

para o resíduo de São Sebastião e 2,1g/cm

para o de Novo Hamburgo (Tabela

4.1).

Tabela 4.1. Massa específica dos grãos (RSU Pré-tratado).

Amostra Valores (g/cm

) Média (g/cm

)

São Sebastião 2,435 2,417 2,425 2,425

Novo Hamburgo 2,196 2,090 2,145 2,144

4.1.4 Massa específica e umidade

109

Com base nas amostras indeformadas retiradas utilizando o Percâmetro (Carvalho,

2006) determinou-se para RSU pré-tratado de São Sebastião uma massa específica de

campo de 0,9g/cm

e umidade gravimétrica 55%. Observam-se na literatura

internacional valores de massa específica variando entre 0,7 g/cm

a 0,8g/cm

para lixo

fresco e 1 g/cm

a 1,1g/cm

para resíduo com tratamento simples. Com o pré-tratamento

mecânico biológico podem-se atingir valores de 1,25 g/cm

a 1,50g/cm

(IPT, 2000).

4.1.5 Lixiviação e solubilização.

Na Tabela 4.2 apresentam-se resultados de ensaios de lixiviação (NBR 10005) e

solubilização (NBR 10006) efetuados nos RSU pré-tratados de São Sebastião e Novo

Hamburgo. Incluem-se nessa tabela os limites máximos permitidos estabelecidos na

norma NBR 10004.

Tabela 4.2. Resultados dos ensaios de Lixiviação e Solubilização.

O ensaio de lixiviação mostrou que os valores máximos permitidos pela norma em geral

não foram atingidos.

110

O ensaio de solubilização mostrou que em São Sebastião os metais pesados sobre

passaram para alguns íons os valores de concentração permitidos segundo a norma NBR

10006 e foram o Mn e o Fe. Já em Novo Hamburgo foram Mn, Fe, Cu, Cr, Ni, Al e Pb.

Deve-se ressaltar que só foi estudada a porção inferior à peneira de 2 mm (que

corresponde a #10) entre 60% e 70% do resíduo. A contaminação por metais pesados

pode ser considerada pequena em São Sebastião (Classe II B).

Observa-se na Figura 4.9 que após 7 dias (ensaio de solubilização), a coloração da água

apresentou-se mais escura no ensaio com o resíduo de Novo Hamburgo, provavelmente

devido à elevada quantidade de matéria orgânica presente nesse resíduo. Observa-se

também que o resíduo de Novo Hamburgo teve maior parcela flutuante na água devido

à elevada quantidade de restos de folhas e outros materiais de baixa massa específica.

a) Novo Hamburgo b) São Sebastião

Figura 4.9. Ensaio de solubilização.

4.1.6 Curva de sucção

Os ensaios efetuados na EMBRAPA para resíduo passante da peneira 0,42 mm tiveram

seus resultados de umidade-sucção analisados utilizando o programa CURVARET. Na

Tabela 4.3 apresentam-se os parâmetros encontrados nessa análise.

Tabela 4.3. Parâmetros da equação de Van Genutchen.

Zona

m n

θr θs

Novo Hamburgo 6,6522 0,1413 1,1645 0,054 0,768

São Sebastião 2,1816 0,2003 1,2505 0,081 0,724

111

Na Figura 4.10 mostram-se as curvas de sucção encontradas em ambos os locais

estudados. O ajuste das curvas foi estabelecido com base no programa CURVARET.

Figura 4.10. Curva de sucção da parte fina.

Os ensaios efetuados com papel filtro não apresentaram bons resultados, portanto não

foram considerados. A presença de bactérias e o pH elevado provavelmente causaram a

degradação rápida do papel filtro tanto para o resíduo de São Sebastião como para o de

Novo Hamburgo (Figura 4.11). Por outro lado, o ensaio de centrífugação não permitiu

obter valores de umidade volumétrica para uma sucção menor de 6,2kPa ou maior que

1,1x10

kPa, limitando a precisão do resultado.

Figura 4.11. Ensaio de papel filtro.

4.1.7 Carbono orgânico.

112

Com base nos procedimentos anteriormente descritos foi possível obter os seguintes

resultados (Tabela 4.4):

Tabela 4.4. Carbono orgânico.

Método Teor de carbono orgânico (g/kg)

São Sebastião Novo Hamburgo

Embrapa 4,09 11,3

TOC 35,3 54,1

Pode-se observar que existe uma grande diferença entre os resultados obtidos com o

método da EMBRAPA e o método TOC. Isto porque a metodologia TOC permite

encontrar todo o CO e a metodologia da EMBRAPA só detecta alguns compostos

orgânicos humificados, não detectando substancias de alto peso molecular.

4.1.8 Análise Microbiológica

Os resultados encontrados foram:

São Sebastião: 1,9*10

UFC/g.

Novo Hamburgo: 0,8*10

UFC/g.

Onde UFC: Unidade Formadora de Colônia.

Dos resultados efetuados na porção fina dos resíduos pode-se observar que São

Sebastião apresentou pouco mais do dobro de Bactérias que Novo Hamburgo.

4.1.9 Coliformes totais e fecais

A Tabela 4.5 mostra os resultados dos ensaios feitos na parte fina dos resíduos.

Tabela 4.5. Análise de Coliformes Totais e Fecais.

Amostra Coliformes Totais NMP/100ml Coliformes Fecais NMP/100ml

Novo Hamburgo 240.000 240.000

São Sebastião > 240.000.000 > 240.000.000

NMP – Número mais provável.

113

A presença de coliformes totais e fecais foi de 24 x 10

NMP/100ml para o resíduo de

Novo Hamburgo e maior de 24 x 10

NMP/100ml para o de São Sebastião.

A contaminação encontrada em São Sebastião era esperada visto que a quantidade de

fraldas encontrada no aterro foi muito grande. Novo Hamburgo apesar de ter um valor

bastante inferior ao observado em São Sebastião também tem uma concentração muito

elevada de coliformes. A concentração de coliformes nesses locais foi superior ao

usualmente encontrada em esgoto.

4.1.10 Análise mineralógico e Infravermelho

Os resultados dos ensaios nos resíduos pré-tratados, passantes na peneira 0,42mm e

secos ao ar apresentaram a seguinte mineralogia:

Novo Hamburgo: Areias de forma prismática ou similar composta principalmente, por

quartzo amarelo claro (95% do Volume total). Os restantes 5% são constituídos

principalmente por feldspatos branco opaco, óxidos/hidróxidos de ferro e alumínio e

rutilo vermelho com brilho metálico. Observou-se, também, a presença mínima de

restos de vidro, orgânicos e concretos, além de elementos desconhecidos como

pequenas bolas pretas que aparecem isoladamente na amostra. A fração argila do

resíduo apresenta principalmente caulinita, quartzo e mica.

São Sebastião: Areias também de forma prismática ou similar formadas principalmente

por quartzo claro incolor (96% do volume total). Os restantes 4% são constituídos

principalmente por feldspatos branco opaco, óxidos/hidróxidos de ferro e alumínio

(ferrugem) e rutilo vermelho com brilho metálico. Observou-se, também, a presença

mínima de restos de vidro e concretos. A argila do resíduo apresenta principalmente

caolinita, quartzo, mica e em menor proporção, vermiculita.

Da análise infravermelha pode-se concluir que São Sebastião apresenta argilominerais

em maior proporção que Novo Hamburgo. Em ambos os casos, a presença de

compostos orgânicos é grande predominando compostos formados por Alquenos,

Aromáticos, OH, NO

, C=O e NH

NH principalmente.

Os resíduos de São Sebastião e Novo Hamburgo não apresentaram montmorilonita o

que indica que a água retida no resíduo deve-se encontrar predominantemente na parte

orgânica.

A Figura 4.12 mostra a forma dos grãos de areia do resíduo estudado.

114

a) RSU de São Sebastião. b) RSU de Novo Hamburgo.

Figura 4.12. Mineralogia areia RSU em São Sebastião e Novo Hamburgo.

4.1.11 Concentração de nutrientes

A concentração de nutrientes dos resíduos foi: (Tabela 4.6):

Tabela 4.6. Concentração de Nutrientes.

C (g/kg) P (g/kg) N (g/kg) Relação C/N

São Sebastião 28,5 0,08 3 9,5

Novo Hamburgo 70,4 0,47 45 1,56

Pode-se observar que a relação C/N de ambos os materiais estão muito abaixo de 35.

Isto significa que ambos os resíduos podem estar maturados ou estabilizados. Os valores

baixos de C e N no RSU de São Sebastião devem-se provavelmente à elevada

quantidade de inorgânicos presentes nesse material. As proporções elevadas de C e N no

resíduo de Novo Hamburgo indicam que o composto desse local poderia ser útil na

agricultura. Naturalmente seriam necessários mais ensaios para ter confiança na

eficiência do processo de compostagem (estudos de chorume, gases, etc), o que está fora

do escopo da tese.

4.1.12 Permeabilidade

A permeabilidade média de São Sebastião, obtida em ensaio de permeabilidade de carga

constante (massa específica de 0,99g/cm3), foi de 2,06 x 10

-3

cm/s.

No ensaio de campo com o Percâmetro esta permeabilidade foi de 1,57 x 10

-3

cm/s.

Com isto pode-se verificar que a permeabilidade no campo foi equivalente à obtida no

laboratório e próxima ao encontrado na literatura.

115

4.1.13 Ensaio de compactação

Na Figura 4.13 pode-se observar que o resíduo de São Sebastião requer menor umidade

(29,8%) do que o de Novo Hamburgo (42,5%) para atingir a massa específica seca

máxima. No resíduo de São Sebastião, a massa específica máxima apresentou-se igual a

1,18g/cm

, enquanto que o valor, encontrado para o resíduo de Novo Hamburgo foi de

0,91g/cm

. Estes valores estão condizentes com o esperado, pois o resíduo de São

Sebastião tem mais material inorgânico do que o resíduo de Novo Hamburgo.

Figura 4.13. Ensaio de Compactação.

4.1.14 Capacidade de Campo

Os resultados de ensaios efetuados com o Percâmetro são apresentados na Tabela 4.7.

Tabela 4.7. Resultados de capacidade de campo efetuados com o Percâmetro (aterros de São

Sebastião).

116

A umidade gravimétrica da amostra, w

, antes do ensaio de permeabilidade no

Percametro foi de 54,9% e a massa específica de campo, γ, de 0,9g/cm

. A

permeabilidade média a 20ºC, k

, foi de 1,6x10

-3

cm/s. Ao final do ensaio de capacidade

de campo valores determinados em amostras do líquido percolante apresentaram pH de

8,1 e 8,2. Um mês após repetiram-se os ensaios de pH nas mesmas amostras de liquido

e os valores variaram muito pouco, passando para 8,5 e 8,0. O valor determinado para a

capacidade de campo, θ

, (ou umidade volumétrica) foi de 51,4%. Em termos

gravimétricos, θ

, este valor representaria 85,2%, bastante superior à umidade

gravimétrica de campo, 54,9%. Tal mostra a elevada capacidade de reter água do aterro

de São Sebastião.

A umidade gravimétrica do resíduo apresenta-se maior que a umidade ótima de

compactação 29,8% (Figura 4.13). Tal indica uma provável ineficiência no processo de

compactação do aterro em São Sebastião. No entanto, tal resultado não é conclusivo,

visto que o ensaio de compactação foi conduzido no material depois de retirada das

partículas superiores a 4,8mm. O material inferior a 4,8mm representa 40% do

observado na granulometria original do resíduo.

Considerando a expressão proposta por Fungaroli & Steiner (1979) que relaciona com

base em resultados experimentais, a capacidade de campo, θ

(%), de RSU naturais com

a massa específica do resíduo, γ (kN/m

). Têm-se para São Sebastião, θv=43%, inferior

ao encontrado experimentalmente, 51%.

4,5.7,21 −=

γθ

Observa-se que o aterro de São Sebastião apresenta uma umidade natural média, 55%,

inferior à capacidade de campo, 85%. Tal indica que o aterro pode ainda absorver e

reter, por tempos prolongados, uma grande quantidade de água.

Na Tabela 2.4 observa-se que os valores da capacidade de campo em aterros sanitários

não pré-tratados são inferiores ao determinado no aterro de RSU estabilizado de São

Sebastião.

4.1.15 Ensaios triaxiais no resíduo de São Sebastião

Na figura 4.14 e 4.15 apresentam-se os resultados de ensaios triaxiais efetuados no

resíduo de São Sebastião (e=2.12 e massa específica de 0,79g/cm

). Os ensaios foram

117

efetuados sob pressões confinantes variando de 10kPa a 500kPa. Na Figura 4.14

apresentam-se resultados sob pressões confinantes superiores à 50kPa.

a) Para RSU passante peneira 9,50 mm. b) Para RSU passante peneira 19 mm.

Figura 4.14. Curvas tensão deformação.

Na Figura 4.15 comparam-se os resultados sob pressão de confinamento inferior a

100kPa. As linhas pontilhadas correspondem a ensaios efetuados utilizando vácuo

parcial para confinamento da amostra. Nesta condição não é possível medir a variação

volumétrica.

Observa-se que os ensaios utilizando vácuo apresentaram sistematicamente resistência

superior aos que utilizaram água como pressão confinante. Não se tem explicação para

esta diferença nos resultados.

118

a) Para RSU passante peneira 9,50 mm. b) Para RSU passante peneira 19 mm.

Figura 4.15. Curvas tensão deformação – baixas tensões.

Nos ensaios em que foi adotado vácuo como confinamento acompanhou-se ao longo do

ensaio a variação da deformação radial ε

em relação à deformação axial ε

(Figura

4.16)

a) Relação ε

vs ε

b) Relação ε

/ε

vs ε

Figura 4.16. Curva deformação axial versus deformação radial.

O coeficiente de Poison (µ=ε

/ε

) varia com a pressão de confinamento e as

deformações axiais. Menores pressões confinantes e maiores deformações levam a ter-

se coeficientes de Poison mais elevados tendendo a se aproximar da unidade.

119

Na Figura 4.17 apresentam-se envoltórias p-q dos ensaios efetuados.

a) Para RSU passante peneira 9,50 mm. b) Para RSU passante peneira 19 mm.

Figura 4.17. Envoltória tensão deformação – baixas tensões.

Em linhas gerais, as curvas p-q não apresentam um comportamento linear. A não

linearidade torna-se mais pronunciada nos ensaios com o RSU passante na peneira 19

mm.

Nas Figuras 4.18 e 4.19 apresentam-se envoltórias de resistência dos ensaios efetuados

no resíduo passante nas peneiras 9,50mm e 19 mm respectivamente. Ajustes bilineares

foram obtidos para o resíduo passante na peneira 19 mm. Enquanto, nos resultados

correspondentes ao resíduo passante na peneira 9,5mm foram possíveis ajustes lineares.

120

Figura 4.18. Envoltória de Resistência para RSU passante peneira 9,50 mm.

Figura 4.19. Envoltória de Resistência para RSU passante peneira 19 mm.

Na Figura 4.20 apresentam-se valores de ângulo de atrito e coesão aparente para altas

pressões de confinamento, > 100kPa, (linha pontilhada) e baixas pressões, < 100kPa,

(linha contínua), correspondentes aos ensaios efetuados.

121

Figura 4.20. Parâmetros de resistência (RSU de São Sebastião).

Observa-se que, para o resíduo passante na peneira 9,50mm, a coesão aparente

apresenta-se baixa, com um valor máximo de 0,6kPa. Tal comportamento espelha a

pequena quantidade de fibras, o que promove um reduzido reforço da massa do resíduo.

Já para o resíduo de 19 mm, a coesão aparente é bem mais elevada, 6,5kPa e 16kPa,

para tensões confinantes menores e maiores que 100kPa (valores médios),

respectivamente.

O máximo ângulo de atrito como esperado não foi significativamente influênciado pelo

incremento do tamanho de partículas (quantidade de fibras), tendo variado

significativamente entre 25° e 42

, com a deformação axial.

Observou-se também que para pressões de confinamento < 100kPa, a coesão aparente

varia muito pouco com a deformação axial. Já para pressões confinantes >100kPa, a

coesão aparente varia, atingindo o valor máximo para 6% de deformação.

4.1.16 Ensaios de cisalhamento direto

Ensaios de cisalhamento direto foram efetuados em equipamento de 6x6x4,16 no

laboratório da geotecnia da COPPE nos estados fofo (γ=0,68g/cm

) e compacto

(γ=0,92g/cm

) para São Sebastião e fofo (γ=0,53g/cm

) e compacto (γ=0,71g/cm

) para

Novo Hamburgo. Dois grupos de ensaios foram efetuados no material previamente seco

ao ar. O primeiro grupo compreende ensaios no material passante na peneira de 2,0mm

e o segundo na peneira 9,5mm. Foram efetuados ensaios complementares com resíduo

triturado de São Sebastião, sem adição de plástico, nos estados fofo (γ=0,88g/cm

) e

122

compacto (γ=1,09g/cm

) e, com adição de plástico no estado fofo (γ=0,88g/cm

Adicionalmente foram feitos ensaios de cisalhamento utilizando equipamento de grande

dimensão 40x25x10 cm pertencente ao laboratório de geotecnia do ITA, descrito em

Gomes (1993). Esses ensaios foram conduzidos na parcela dos resíduos de São

Sebastião (γ=0,85g/cm

) e Novo Hamburgo (γ=0,66g/cm

) passantes na peneira de 19

mm.

As Figuras a seguir não representam as envoltórias de resistência, mas sim os resultados

empíricos de cada ensaio. O ajuste das envoltórias não é apresentado graficamente, mas

sim os resultados dos parâmetros inferidos a partir delas.

As Figuras 4.21, 4.22 e 4.23 mostram resultados dos ensaios de cisalhamento com

material fofo. A deformação, ε, foi a razão entre o deslocamento horizontal, ∆h, e a

altura do corpo de prova. A Figura 4.24 mostra resultados dos ensaios de cisalhamento

com material compacto.

Figura 4.21. Ensaios cisalhamento direto amostra 6x6, material fofo, passante na peneira 2mm.

123

Figura 4.22. Ensaios cisalhamento direto amostra 6x6, material fofo, passante na peneira 9,50mm.

Figura 4.23. Ensaios cisalhamento direto amostra 40x25, passante na peneira 19,0mm.

Figura 4.24. Ensaios cisalhamento direto amostra 6x6, material compacto, passante na peneira 9,50mm.

124

Verifica-se dos resultados que existe um incremento de resistência com o incremento de

deformação unitária. A contribuição dos plásticos como elemento de reforço aparece em

forma mais nítida nos ensaios efetuados com o resíduo passante na peneira 9,50mm. Os

ensaios com o resíduo passante na #19 mm foram efetuados sob pressões normais

inferiores a 109kPa. Não se observou nesse ensaio um efeito pronunciado das fibras.

Note-se, no entanto, que a não linearidade da envoltória de resistência promovida pelo

efeito fibra se fez sentir nos demais ensaios sob tensões confinantes mais elevadas.

Nas Figuras 4.25 e 4.26 comparam-se resultados dos ensaios de resistência para as

deformações de 14 e 20%.

Figura 4.25. Resistência para 14 e 20% de deformação horizontal, material fofo.

Figura 4.26. Resistência para 14 e 20% de deformação horizontal, material compacto.

125

Observa-se que a não linearidade para o resíduo de São Sebastião ocorre no estado fofo

entre pressões confinantes de 300 e 500kPa. Em Novo Hamburgo tal ocorre entre 200 e

400kPa.

No estado compacto verifica-se a não linearidade entre 400 a 600kPa e 100 a 400kPa

para o resíduo de São Sebastião e de Novo Hamburgo, respectivamente.

As Figuras 4.27 e 4.28 mostram os resultados dos ensaios de cisalhamento direto

efetuados no resíduo triturado, com e sem a adição de plástico.

Figura 4.27. Ensaios cisalhamento direto amostra 6x6, resíduo triturado de São Sebastião.

Figura 4.28. Ensaios cisalhamento direto amostra 6x6, resíduo triturado fofo com adição de plástico

(São Sebastião).

126

Nas figuras 4.29 e 4.30 e 4.31 comparam-se valores de coesão aparente, c, e ângulo de

atrito, φ, correspondentes aos ensaios de cisalhamento direto efetuados nos resíduos

triturados (T) e não triturados (nT).

Figura 4.29. Comparação de parâmetros de resistência do resíduo de São Sebastião sob diferentes

condições.

Figura 4.30. Comparação de parâmetros de resistência com a variação da adição de plástico no resíduo

triturado São Sebastião.

Figura 4.31. Comparações de parâmetros de resistência do resíduo de Novo Hamburgo sob diferentes

condições.

Verifica-se na Figura 4.29 que, no RSU de São Sebastião, a coesão aparente aumenta

com o incremento do tamanho das partículas de 2mm a 9,50mm, mas o ângulo de atrito

não apresentou variações significativas. Observa-se que com o incremento da

127

compacidade a coesão aparente aumenta de 28 a 50kPa, entre as deformações

horizontais de 2 e 8%, e depois diminui até um valor cerca de 25kPa para uma

deformação de 20%.

Os ensaios com as amostras passantes na peneira 19 mm (Figura 4.29), resultaram em

valores mais baixos para o ângulo de atrito e a coesão aparente, que atingiram valores

de 35

e `````````````````````d(m)Tj9.36544 0 T`````d(m)Tj9.36544 0 T`````d(m)Tj9 0 Td(d)Tj6.00349 063j6.00349 0 Td( )Tj3.9623 0 Td(m)

128

Figura 4.32. Curva Tensão-deformação antes e depois da trituração - Resíduo fofo São Sebastião.

Figura 4.33. Curva Tensão-deformação antes e depois da trituração - Resíduo compacto São Sebastião.

129

Os ensaios adicionais de resistência ao cisalhamento com resíduo triturado de São

Sebastião mais plástico 1D e 2D apresentaram tensões de pico, ε=8%, e tensões

residuais (Figuras 4.34 e 4.35).

Figura 4.34. Análise Tensão-deformação - Resíduo triturado sem adição de fibras.

a) Resíduo mais 0,15% plástico 1D (0,2x1,25cm). b) Resíduo mais 0,15% plástico 2D (0,5x0,5cm).

Figura 4.35. Curva Tensão-deformação - Resíduo triturado com adição de fibras.

Nas Figuras 4.36 e 4.37 mostram-se resultados dos ensaios de resistência e os

parâmetros de resistência para ε=8%.

Figura 4.36. Curva de resistência - Resíduo triturado sem adição de fibras.

130

a) Resíduo mais 0,15% plástico 1D (0,2x1,25cm). b) Resíduo mais 0,15% plástico 2D (0,5x0,5cm).

Figura 4.37. Curva de resistência - Resíduo triturado com adição de fibras.

O comportamento tri linear aparece mais nitidamente na Figura 4.37a mostrando uma

provável variação da resistência pelo reforço proporcionado pelas fibras. A Figura 4.38

mostra as curvas de resistência dos tres casos.

Figura 4.38. Curvas de resistência para

=8% – ensaios adicionais.

Verifica-se da figura 4.38 que as fibras não proporcionaram incrementos de resistência

no resíduo. Provavelmente não estão orientadas na direção de máxima eficiência (Figura

2.27).

131

4.2 Retro-análise dos ensaios centrífugos

Os resíduos nos ensaios preliminares apresentaram compacidade (γ=10,5kN/m

insuficiente para ter-se os taludes estáveis quando do levantamento da lâmina metálica

nos ensaios de centrífugação. Nos ensaios adicionais (γ=12kN/m

) foi possível manter

os taludes estáveis a N=1. A ruptura verificou-se somente a valores mais elevados de

centrífugação, como desejado.

Como comentado, nos ensaios preliminares, a lâmina, de forma indesejada,

desempenhou papel de contenção lateral do resíduo. Dessa forma, não foi possível

conhecer todas as forças envolvidas no colapso. Por esse motivo nesses ensaios não se

efetuou retro-análise, que foram limitadas aos ensaios adicionais.

Na retro-análise dos ensaios adicionais, considerou-se superfícies de ruptura lineares

(Figura 4.39), a inclinação do talude, β, o ângulo crítico de ruptura, θ

crit

, o peso da

cunha, M

, o ângulo de atrito, φ e a parcela de coesão aparente, c

Figura 4.39. Análise de ruptura.

Da Figura 4.39 tem-se,

( )

βθ

ctnctn

crit

−=

(4.1)

Pela lei dos senos,

)()90(

φθφ

θθ

−

crit

sen

(4.2)

onde

132

= c.l

= H / sen θ

crit

(4.3)

Substituindo as Equações 4.1 e 4.3 em 4.2 tem-se.

( )

φβφβφβ

cos

222













−

























−













ctnctnsensen

(4.4)

Simplificando,

(

)

φβ

cos2

cos1

senH

−

= (4.5)

A coesão aparente do modelo, c

, é obtida isolando a coesão aparente, c, da Equação

4.5.

(

)

cos2

cos1

sen

φβ

−−

(4.6)

A altura do protótipo, H

= H

N, foi utilizada para se determinar a coesão aparente do

protótipo.

(

)

cos2

cos1

sen

φβ

−−

(4.7)

Na Figura 4.40 apresenta-se valores críticos de estabilidade para diferentes inclinações

de talude, β, e parâmetros de resistência, c e φ, com base na equação 4.5.

133

Figura 4.40. Análise de ruptura - modelo.

A retro-análise foi efetuada considerando a massa específica, γ=12 kN/m

e altura de

talude, H=0,10 m, correspondente às condições dos ensaios em centrífuga.

Na Tabela 4.8 mostra-se os valores de N que provocaram as rupturas de talude.

Tabela 4.8. Resultado dos ensaios em centrífuga (aterro de São Sebastião).

Ncrit

Com fibras (0,15%)

Sem fibras

1D (0,2x1,25cm)

2D (0,5x0,5cm)

120 - -

41,6 63,6 30,5

23 29,8 20,0

Com os valores de N

crit

foi possível obter as alturas críticas de ruptura dos taludes

(Figura 4.41).

Figura 4.41. Alturas críticas de ruptura - protótipo.

134

Considerando-se as condições dos ensaios na Equação 4.7 tem-se

(

)

sen

.6,0*

cos2

cos1

φβ

−

= (4.8)

Com base nos resultados da Tabela 4.8 e a equação 4.8, determinaram-se valores de

coesão aparente efetiva aparente e ângulo de atrito correspondente à condição de

colapso de cada um dos ensaios efetuados (Figuras 4.42, 4.43 e 4.44).

Figura 4.42. Retro-análise para resíduo sem fibras - São Sebastião.

Figura 4.43. Retro-análise para resíduo com 0,15% de fibras 1D- 0,2x1,25cm - São Sebastião.

135

Figura 4.44. Retro-análise para resíduo com 0,15% de fibras 2D- 0,5x0,5cm - São Sebastião.

Na tabela 4.9 apresentam-se pares de valores de coesão aparente e ângulo de atrito

correspondente aos diferentes resíduos ensaiados. Esses valores foram estabelecidos

considerando os valores apresentados nas Figuras 4.42 a 4.44 buscando ter-se para um

mesmo resíduo, independentemente da inclinação do talude, um mesmo valor para c e φ

capaz de explicar o colapso. Tal implica na hipótese de c e φ constantes, independentes

da condição de confinamento da amostra (envoltória de resistência linear). Nas Figuras

4.42 a 4.44 a curva que melhor corresponde a esta condição apresenta-se destacada por

uma seta.

Tabela 4.9. Parâmetros de resistência retro-análise - São Sebastião.

Coesão aparente [kPa]

Sem fibras 3 26

Mais 0,15% de fibras 1D 4,2 26

Mais 0,15% de fibras 2D 4,5 5

Observa-se nas Figuras 4.36 e 4.37 e da Tabela 4.9 que os valores determinados com

base na retro-análise dos ensaios centrífugos redundaram para o resíduo estudado

paramêtros de resistência inferiores aos encontrados através dos ensaios de

cisalhamento direto e triaxial. Provavelmente a causa da diferença deve-se a:

•

O tamanho das partículas nos ensaios centrífugos crescem proporcionalmente

ao valor de N, não sendo, por tanto, equivalente ao que se verifica nos ensaios

de cisalhamento direto e triaxiais onde o tamanho da partícula mantem-se

constante.

136

•

A direção e montante das deformações em relação às fibras são diversas

conforme o ensaio, por esse motivo as fibras são solicitadas de forma

diferenciada durante os mesmos.

•

Detalhes dos ensaios podem também ter contribuído, tais como, forma de

compactação, disposição das fibras e precisão na monitoração dos ensaios

centrífugos.

137

5.1 CONCLUSÕES

Características dos resíduos

Em São Sebastião o processo de estabilização do resíduo consiste numa fase mecânica,

onde são retirados elementos inorgânicos, com ajuda de catadores, e uma biológica. O

resíduo após estabilização aumenta o percentual de inorgânicos, e é depositado em

aterros. Em Novo Hamburgo a fase mecânica é mais rigorosa buscando retirar, ao

máximo, materiais inorgânicos. A fase biológica é similar a um processo de

compostagem. O resíduo tratado antes de ser encaminhado ao aterro é peneirado e a

parcela passante na peneira de 20mm é utilizada como composto.

•

O RSU de São Sebastião, tal como ocorre na maioria dos países em

desenvolvimento, antes do pré-tratamento, apresentou 60% de matéria orgânica. Depois

do pré-tratamento tem-se 60,2 %, em peso, de material passante na peneira de 50,8 mm

e a matéria orgânica caiu para 13,2 % (presente na porção fina do resíduo < 50,8mm). A

proporção total de plásticos (principal elemento “fibra”), presente no resíduo pré-tratado

apresentou-se igual a 24,9 %. A parcela passante na peneira 50,8mm apresenta-se em

pequena quantidade, 2,5%. Já o resíduo de Novo Hamburgo apresentou 41,5% de

matéria orgânica e 1,2 % de plásticos, após pré-tratamento (fração < 20 mm).

•

Quando comparados diversos resíduos sólidos do Brasil (Figura 4.2), incluindo

os de Jacarepaguá e São Sebastião, observou-se que todos eles tinham matéria orgânica

na ordem de 58% e reforço 29%, tendo uma mínima quantidade de vidros, metais e

outros.

•

A granulometria de São Sebastião mostrou que 60,2% em peso corresponde a

material passante da peneira de 2” e 39,8% corresponde principalmente a plástico e em

menor proporção inorgânicos em geral. A curva granulométrica encontra-se na faixa

sugerida por Jessberger (1994).

Capítulo 5: CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PESQUISAS

FUTURAS

138

•

São Sebastião apresentou uma concentração mínima de metais pesados na

porção fina do resíduo podendo ser considerado como Classe II-B segundo a norma

NBR10004 quando considerado unicamente os ensaios de lixiviação e solubilização.

Novo Hamburgo, por sua vez, apresentou uma concentração de Fe, Cu, Cs, N, Al, Pb

acima do exigido pela mesma norma (Classe II-A) provavelmente devido a alguma

deficiência no processo de estabilização das amostras recebidas na época.

•

A determinação da curva de sucção apresentou limitações de precisão. Não foi

possível em ambos os resíduos a execução de ensaios de papel filtro. O papel foi

atacado pela contaminação, umidade e pH do resíduo. A metodologia empregada na

determinação, também apresentou limitações, levando a resultados aproximados.

•

Quanto ao carbono orgânico na metodologia da EMBRAPA, onde só foram

detectados alguns compostos orgânicos humificados, detectaram-se valores de 4,09g/kg

e 11,3g/kg para São Sebastião e Novo Hamburgo respectivamente. Empregando-se o

auto-analisador de carbono para amostras sólidas foi possível detectar valores de

carbono total dos resíduos (TOC), 35,3g/kg e 54,1g/kg, respectivamente. Ambos acima

dos valores encontrados na literatura.

•

Adicionalmente para avaliar a contaminação dos resíduos foram feitos ensaios

de povoação de Bactérias e concentração de coliformes. A povoação de Bactérias

heterotróficas foi elevada e maior em São Sebastião 1,9x10

UFC/g que Novo

Hamburgo 0,8x10

UFC/g. A presença de coliformes totais e fecais em São Sebastião

2,4x10

NMP/ml foi muito maior que em Novo Hamburgo 2,4x10

NMP/ml, tendo

ambas uma concentração maior ao que normalmente verifica-se em esgoto domestico.

•

O principal mineral presente na fração areia dos resíduos foi o Quartzo (95%) e

na fração argila a Caolinita, Quartzo e Mica. Os argilominerais apresentaram-se em

maior proporção em São Sebastião, no entanto, a pouca quantidade de Montmorilonita

faz supor que a água não é retida no argilomineral e sim na massa orgânica.

•

O valor da relação de C/N de São Sebastião foi 9,50 e Novo Hamburgo 1,56

fazendo supor que ambos os resíduos podem se encontrar estabilizados ou maturados.

Os valores baixos de C e N em São Sebastião devem-se provavelmente a elevada

quantidade de inorgânicos presentes nesse material. Por outro lado, as proporções

maiores de C e N do resíduo de Novo Hamburgo podem tornar o composto dessa

localidade por sua vez útil à agricultura (maturado). Naturalmente seria preciso mais

139

ensaios para ter certeza da eficiência do processo de compostagem ou estabilização

(estudos de chorume, gases, etc), aspecto que não é parte do objetivo dessa tese.

•

A permeabilidade de campo em São Sebastião foi de 1,57 x 10

-3

cm/s

equivalente ao encontrado em laboratório e próxima ao encontrado na literatura.

Comportamento mecânico

•

Devido às características gravimétricas dos materiais dos RSU em estudo, no

ensaio de compactação, o RSU de São Sebastião requer menor umidade (29.81%) que

Novo Hamburgo (42.47%) para atingir uma massa específica seca máxima (1.18g/cm3)

superior a observada no RSU de Novo Hamburgo (0.91g/cm3).

•

A umidade natural do resíduo de São Sebastião foi de 54,9%, superior a

umidade ótima de compactação, 29,8%. Tal indica uma provável ineficiência no

processo de compactação do aterro. No entanto, deve-se atentar que o ensaio de

compactação foi efetuado numa parcela do resíduo (passante peneira de 4,8 mm).

•

A umidade gravimétrica de campo apresenta-se inferior ao valor determinado

para a capacidade de campo (85,2%). Tal indica que, o resíduo tem elevada capacidade

de reter água por tempos prolongados.

•

Ensaios de cisalhamento mostraram que o ângulo de atrito não sofre

significativa variação com a compacidade da amostra. A quantidade de fibras (plásticos,

variação de tamanho de partícula entre 2mm e 19mm) também, não altera

substancialmente o valor do ângulo de atrito, sendo o valor médio encontrado em São

Sebastião de 38

e em Novo Hamburgo de 34

, para uma deformação de 20%.

•

Para pressões de confinamento baixas (<100kPa) a coesão aparente variou muito

pouco e o φ precisou de uma deformação unitária de 20% para atingir seu valor

máximo. Já para confinamentos altos (> 100kPa) a coesão aparente só precisou de 6%

para atingir o valor máximo.

•

Nos ensaios traixiais, com o incremento da deformação unitária, a participação

do reforço na resistência aumentou, verificando-se um modelo bi linear de ruptura já

observado por Kolsch (1996). Observou-se um comportamento variável com a

deformação unitária do resíduo, o grau de compactação e o tamanho da partícula. Sabe-

se que a porcentagem de fibras cresce com o incremento do tamanho de partículas.

Assim, o comportamento bi linear dever-se-ia tornar mais evidente e a coesão aparente

140

crescer com o tamanho de partículas. Contudo, o comportamento bi linear não se

mostrou muito evidente nos ensaios com o material passante na peneira de 9,50mm.

Nos ensaios triaxiais com o material passante na peneira de 19 mm o comportamento bi

linear ficou mais evidente.

•

Nos ensaios de cisalhamento direto, a coesão aparente sofreu variações com a

granulometria do resíduo (se passante na #2mm ou #9,50mm). No resíduo de São

Sebastião o ângulo de atrito máximo atingido do resíduo foi de 38° (ε=20%), enquanto a

coesão aparente foi de 20 kPa nos ensaios executados em partículas menores que 2.0mm

e 28kPa obtido nos ensaios com partículas menores que 9.5mm. Esta coesão aparente

aumentou com o tamanho dos grãos devido ao aumento de plásticos nas amostras da

fração mais grossa.

•

As envoltórias de resistência de ambos os resíduos apresentaram comportamento

tri-linear. Na primeira etapa observou-se um comportamento linear. Na segunda etapa

verificou-se um patamar de resistência, oriundo do tracionamento das fibras. Passou-se

a seguir a uma terceira etapa, na qual a curva apresentou-se similar à primeira etapa.

•

Nos ensaios de cisalhamento feitos com material triturado sem adição de

plástico verificou-se sob 10% de deformação horizontal em São Sebastião, a coesão

aparente apresenta-se nula e cresce para 17,3kPa quando de um incremento de 0,05% de

plástico, em peso, e 25,7kPa para um incremento de 0,15%. Sob 14% de deformação

horizontal obteve-se para 0%, 0,05% e 0,15% de plástico valores de coesão aparentde %, n

141

que a disposição dos plásticos na horizontal, não deve ter possibilitado uma

contribuição significativa dos mesmos no comportamento.

•

Os valores determinados com base na retro-análise dos ensaios centrífugos

redundaram para o resíduo estudado paramêtros de resistência inferiores aos

encontrados através dos ensaios de cisalhamento direto e triaxial. Provavelmente a

causa da diferença deve-se a:



O tamanho das partículas nos ensaios centrífugos crescem proporcionalmente ao

valor de N, não sendo, por tanto, equivalente ao que se verifica nos ensaios de

cisalhamento direto e triaxiais onde o tamanho da partícula mantem-se

constante;



A direção e montante das deformações em relação às fibras são diversas

conforme o ensaio, por esse motivo as fibras são solicitadas de forma

diferenciada durante os mesmos;



Detalhes dos ensaios podem também ter contribuído, tais como, forma de

compactação, disposição das fibras e precisão na monitoração dos ensaios

centrífugos.

5.2 S

GESTÕES PARA FUTURAS PESQUISAS

•

Investigar o comportamento de resíduos naturais e saturados, incluindo a pressão

de gás.

•

Complementar os estudos em centrífuga incluindo medidas de deformação de

melhor qualidade.

•

Investigar o efeito da orientação das fibras na resistência do material através de

modelos reduzidos.

•

Estudar a influência do tamanho e quantidade de fibras através de ensaios em

equipamentos de grande dimensão e diferentes tipos de solicitações (triaxial, tração

direta e cisalhamento direto).

142

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