Análise da Infiltração e Migração de Contaminantes da Água ...§ão Rev24032017_FALVL... ·...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA MESTRADO EM ENGENHARIA CIVIL Análise da Infiltração e Migração de Contaminantes da Água de Produção da Indústria Petrolífera em Solos Argilosos Compactos Fernando Antonio Leite Vieira Lima Salvador 2017
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
MESTRADO EM ENGENHARIA CIVIL
Análise da Infiltração e Migração de Contaminantes da Água de Produção da
Indústria Petrolífera em Solos Argilosos Compactos
Fernando Antonio Leite Vieira Lima
Salvador
2017
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
MESTRADO EM ENGENHARIA CIVIL
Análise da Infiltração e Migração de Contaminantes da Água de Produção da
Indústria Petrolífera em Solos Argilosos Compactos
Fernando Antonio Leite Vieira Lima
Projeto apresentado ao mestrado em Engenharia Civil
Orientador: Prof. Dr. Sandro Lemos Machado
Salvador
2017
FORMAÇÃO DO CANDIDATO
Engenheiro Civil, formado pela Universidade Federal da Bahia (2012).
MEMBROS DA BANCA EXAMINADORA DO PROJETO DE PESQUISA DO MESTRADO DE
FERNANDO ANTONIO LEITE VIEIRA LIMA
BANCA EXAMINADORA
_____________________________________
Prof.(a) Dr.(a) Sandro Lemos Machado
Orientador
PPEC – UFBA
_____________________________________
Prof.(a) Dr.(a)
_____________________________________
Prof.(a) Dr.(a)
RESUMO
Este Projeto de Pesquisa investigará o comportamento de migração da água de pro-
dução e seus contaminantes em solos arenoargilosos utilizados na construção de bacias de
contenção de áreas de extração e armazenamento de petróleo. Através da construção de um
novo aparato, será proposto um método para a determinação simultânea dos parâmetros de
fluxo e migração de contaminantes. Este método será chamado de Ensaio de Coluna Monito-
rado e reunirá as técnicas o Método do Perfil Instantâneo para determinação de curva de
condutividade não saturada, o Método da Carga Variável para determinação da condutivida-
de hidráulica saturada, o Método da Coluna para determinação dos parâmetros de transporte
de contaminante, além do cruzamento de dados dos tensiômetros com as sondas TDR e
FDR para elaboração das curvas características.
Os resultados obtidos através deste método serão comparados com resultados provenientes
de métodos já consolidados para validação. Os ensaios de validação serão: ensaios de bate-
lada, ensaios de permeabilidade com permeâmetros rígidos e flexíveis e modelagem das cur-
vas de sucção. Através da comparação dos resultados será verificada a confiabilidade dos
resultados do Ensaio de Coluna Monitorado em relação à migração da água de produção e
seus contaminantes em solos argilosos, ou se propor mudanças para este tipo de fluido.
Neste projeto, também será verificada a ocorrência de degradação dos contaminantes orgâ-
nicos pelos microrganismos presentes nos solos estudados. Caso o resultado desta hipótese
seja positivo, será possível utilizar este recurso como medida de mitigação bem como expan-
dir a sua utilização ao tratamento de outras áreas afetadas.
Este projeto visa definir parâmetros necessários que auxiliem a tomada de decisões
por parte das empresas do ramo da produção de petróleo, tanto na construção das bacias de
contenção mais econômicas e seguras quanto nas medidas mitigadoras na ocorrência de va-
zamentos durante a extração ou armazenamento da água de produção. Além disso, se espe-
ra que, validar este método, diminuindo tempo de obtenção dos parâmetros e aumento da
confiabilidade dos resultados.
Palavras-chave: Ensaio de Coluna; Hidrocarbonetos; Migração de Contaminantes; Biodegra-
dação
SUMÁRIO
Pág.
1.1.INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 1
2.2.JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA ........................................................................ 3
3.3.PROBLEMAS DE PESQUISA ................................................................................ 6
3.1.Geral ........................................................................................................................ 6
3.2.Específicos ............................................................................................................... 6
4.4.HIPÓTESES DE PESQUISA ................................................................................... 6
4.1.Geral ........................................................................................................................ 6
4.2.Específicos ............................................................................................................... 6
5.5.OBJETIVOS DE PESQUISA ................................................................................... 7
5.1.Geral ........................................................................................................................ 7
5.2.Específicos ............................................................................................................... 7
6.6.REVISÃO DE LITERATURA ................................................................................. 8
6.1.Conceito de Energia na Água nos Solos .................................................................. 8
6.2.Propriedades Hidráulicas de Solos Saturados ........................................................ 11
6.2.1.Condutividade Hidráulica em Meio Saturados ............................................... 11 6.3.Propriedades Hidráulicas de Solos Não Saturados ................................................ 18
6.3.1.Curva Característica ....................................................................................... 18 6.3.2.Condutividade Hidráulica em Meio Não Saturados ....................................... 28
6.4.Mecanismos do Transporte de Massa em Solos ................................................... 35
6.4.1.Processos Físicos ............................................................................................ 36 6.4.2.Processos Bio-físico-químicos ....................................................................... 42 6.4.3.Métodos para Determinar Parâmetros de Transporte de Soluto ..................... 47 6.4.4.Soluções Analíticas para Migração de Contaminantes ................................... 48
6.5.Bacias de Contenção na Indústria de Petróleo ....................................................... 50
6.6.Água de Produção de Petróleo ............................................................................... 51
6.6.1.Principais Componentes ................................................................................. 51 6.6.2.1.1.1 Outros Compostos ................................................................................ 53 6.6.3.Regulação ....................................................................................................... 54
7.7.METODOLOGIA DE PESQUISA ........................................................................ 57
7.1.Estratégia de Pesquisa ........................................................................................... 57
7.2.Delineamento da Pesquisa ..................................................................................... 58
7.3.Detalhamento do Desenvolvimento Experimental ................................................ 59
8.8.DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL ......................................................... 60
8.1.Solos Utilizados ..................................................................................................... 60
8.1.1.Caracterização Física do Solo ......................................................................... 63 8.1.2.Caracterização Mineralógica dos Solos .......................................................... 67 8.1.3.Caracterização Físico-química dos Solos ....................................................... 68 8.1.4.Caracterização Microbiana dos Solos ............................................................. 69
8.2.Fluidos ................................................................................................................... 69
8.2.1.Caracterização Física dos Fluidos .................................................................. 70 8.2.2.Caracterização Química dos Fluidos .............................................................. 71 8.2.3.Caracterização Microbiana dos Fluidos ......................................................... 71
8.3.Equipamentos Utilizados ...................................................................................... 72
8.3.1.Sondas TDR .................................................................................................... 72 8.3.2.Sondas FDR .................................................................................................... 74 8.3.3.Tensiômetros ................................................................................................... 75 8.3.4.Armazenador de Dados Digital ...................................................................... 76 8.3.5.Medidor De Potencial Hídrico Utilizando Ponto De Orvalho – WP4C ......... 77
8.4.Ensaios de Coluna Monitorada .............................................................................. 79
8.4.1.Desenvolvimento do Equipamento ................................................................. 79 8.4.2.Compactação dos Corpos de Prova ................................................................ 89 8.4.3.Montagem do Ensaio ...................................................................................... 91 8.4.4.Execução do Ensaio ........................................................................................ 95 8.4.5.Determinação dos Parâmetros de Interesse .................................................... 98
8.5.Ensaios Complementares ..................................................................................... 103
8.5.1.Ensaios de Permeabilidade ........................................................................... 103 8.5.2.Ensaios de Batelada ...................................................................................... 111 8.5.3.Curvas Características ................................................................................... 116
9.9.RESULTADOS ESPERADOS .............................................................................. 119
10.10.REFERÊNCIAS ................................................................................................. 121
ÍNDICE DE TABELAS
Pág.
Tabela 6.1: Faixa de Variação da Sucção de Entrada de Ar.............................20
Tabela 6.2: Técnicas de medição de sucçãoFonte: Ridley e Burland (1993), Ridley e Wray
(1995) e Marinho(2000) apud Feuerhamel (2003) ............................................27
Tabela 6.3: Métodos para determinação da função de condutividade hidráulica33
Tabela 6.4 - Níveis Aceitáveis para Emissões, Efluentes e Resíduos provenientes da Extra-
ção Onshore de Petróleo e Gas ........................................................................56
Tabela 8.1 : Granulometria, Índices de Consistência, Massa Específica dos Sólidos e Classifi-
cação...................................................................................................................64
Tabela 8.2: Resultados de Ensaios de Compactação.......................................64
Tabela 8.3: FRX - Concentração dos Principais Elementos..............................68
Tabela 8.4: Quantidade de Sólidos Totais Voláteis...........................................69
Tabela 8.5: Viscosidade dos Fluidos..................................................................70
Tabela 8.6: Massa Específica dos Fluidos.........................................................70
Tabela 8.7: Precisão e Resolução das Sondas TDR MP306............................72
Tabela 8.8: Precisão de Sonda 5TE - Sensor de Umidade, CE e Temperatura do solo 74
Tabela 8.9: Precisão de Sonda MPS-6 – Potencial Hidráulico e Temperatura do solo 76
Tabela 8.10: Precisão e Amplitude do Equipamento WP4C Dewpoint Potencia Meter 78
Tabela 8.11: Especificações de Compactação dos Corpos de Prova...............90
Tabela 8.12: Configuração dos CPs Solo Piçarra da Primeira Bateria de Ensaios 104
Tabela 8.13: Configuração dos CPs Solo Piçarra da Segunda Bateria de Ensaios 105
Tabela 8.14: Especificações de Compactação dos Corpos de Prova para Permeâmetro Flexí-
vel......................................................................................................................108
Tabela 8.15: Configuração dos CPs utilizados nos Ensaios com Permeâmetro Flexível 109
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 6.1: Água Capilar e de Adsorção.....................................................................................9
Figura 6.2: Desbalanceamento de Forças na Interface Líquido-gás.......................................10
Figura 6.3: Formação de meniscos capilares...........................................................................10
Figura 6.4: Classificação esquemática do fluxo baseada no número de Reynolds.................12
Figura 6.5: Coeficiente de permeabilidade de três argilas com diferentes tamanhos de grãos
...................................................................................................................................................15
Figura 6.6: Curva Característica típica – Solo Siltoso..............................................................19
Figura 6.7: Curvas características de amostras compactadas em diferentes umidades iniciais
...................................................................................................................................................21
Figura 6.8: Efeito da energia de compactação na curva característica...................................22
Figura 6.9: Influência da energia de compactação na curva característica.............................22
Figura 6.10: Histereses da curva de retenção (a) e efeito tinteiro atuante na histerese (b)....23
Figura 6.11: Área útil de fluxo em meios porosos não saturados............................................30
Figura 6.12: Função da condutividade para solo arenoso e argiloso.......................................31
Figura 6.13: Mecanismos associados à migração de contaminantes......................................36
Figura 6.14: Representação conceitual do transporte de contaminante por advecção...........37
Figura 6.15: Representação conceitual do transporte de contaminante por dispersão...........38
Figura 6.16: Mecanismos de dispersão ou mistura mecânica, a) Mecanismos de dispersão ou
mistura mecânica, b) dispersão em canais individuais, c) tortuosidade, reentrâncias e interli-
gações.......................................................................................................................................40
Figura 6.17: Efeitos de filtração ou processos que limitam a migração de partículas, a) forma-
ção de membrana superficial, b) retenção no interior da malha de poros ..............................44
Figura 6.18: Faixa de Parâmetros físico-químicos de água produzidas em campos de óleo 53
Figura 7.1: Delineamento da pesquisa ....................................................................................58
Figura 7.2: Etapas do Desenvolvimento Experimental.............................................................59
Figura 8.1 - Foto ilustrativa da área 2.......................................................................................60
Figura 8.2: Solo coletado ao redor do oleoduto........................................................................61
Figura 8.3 - Aspecto do solo argiloso encontrado na margem de rio que cruza o oleoduto....61
Figura 8.4 - Foto ilustrativa de área de empréstimo localizada próxima a área 4...................62
Figura 8.5 -Foto ilustrativa de vista da área de empréstimo localizada próxima a área 4.......62
Figura 8.6 - Foto de Solo Piçarra Coletado..............................................................................63
Figura 8.7 – Curva Granulométrica dos Solo Vermelho, Várzea e Piçarra..............................65
Figura 8.8: Carta de Plasticidade dos Solos Vermelho, Várzea e Piçarra...............................66
Figura 8.9: Sonda TDR MP306.................................................................................................73
Figura 8.10: Volume de Influência na Medição das Sondas 5TE............................................75
Figura 8.11: Sonda MPS-6.......................................................................................................76
Figura 8.12: Esquema gráfico do WP4C .................................................................................78
Figura 8.13: Esquema gráfico do Equipamento do Ensaio de Coluna ....................................79
Figura 8.14: Foto Reservatório de Mariotte..............................................................................80
Figura 8.15: Foto Cilindro Metálico...........................................................................................80
Figura 8.16: Reservatório novo desmontado............................................................................82
Figura 8.17: Cabeçote superior do reservatório com dispositivos de isolamento....................82
Figura 8.18: Detalhe cabeçote inferior do reservatório, niple e adaptação do cabeçote superi-
or do corpo de prova.................................................................................................................83
Figura 8.19: Detalhe do dreno lateral.......................................................................................84
Figura 8.20: Foto do interior do tubo de PVC...........................................................................84
Figura 8.21: Foto da vista interna do cabeçote superior e "o-rings"........................................85
Figura 8.22: Foto da vista interna do cabeçote inferior com geotêxtil......................................85
Figura 8.23: Cabeçote inferior e travamento (esquema inicial)................................................85
Figura 8.24: Cabeçote inferior e travamento (esquema final)..................................................86
Figura 8.25: Peça guia do cilindro (equipamento inicial)..........................................................87
Figura 8.26: Cabeçote superior atual........................................................................................87
Figura 8.27: Posicionamento dos Tensiômetros e Sondas FDR.............................................88
Figura 8.28: Soquete de Compactação....................................................................................90
Figura 8.29: Colarinho superior de compactação e cabeçote inferior, fixados no corpo de pro-
va...............................................................................................................................................91
Figura 8.30: Vedação das Sondas............................................................................................92
Figura 8.31: Abastecimento de Reservatório...........................................................................95
Figura 8.32: Frasco de vidro para coleta de efluente...............................................................96
Figura 8.33: Efluente devidamente acondicionada..................................................................97
Figura 8.34: Exemplos de curvas de chegada fornecendo o Rd. Concentração relativa do so-
luto versus número de volume de vazios percolado. (a) corresponde à área acima da curva
de chegada, até onde se inicia o fluxo estacionário e (b) corresponde ao valor de T em C/C0
= 0,5........................................................................................................................................100
Figura 8.35: Variação de valores de D (cm2=s) em função do número de carbonos equivalen-
te.............................................................................................................................................101
Figura 8.36: Sistema de Percolação Permeâmetro Flexível..................................................106
Figura 8.37: Permeâmetro Flexível.........................................................................................107
Figura 8.38: Base Metálica, Molde de PVC Bipartido e Abraçadeiras..................................108
Figura 8.39: Compactador de Bancada..................................................................................108
Figura 8.40: Montagem do Ensaio de Permeabilidade com Permeâmetro Flexível..............109
Figura 8.41: Fluido de ensaio de batelada armazenado em frigorífico..................................112
Figura 8.42: Mistura realizada em erlenmeyer.......................................................................112
Figura 8.43: Mistura vedadas e armazenadas em frigorífico.................................................113
Figura 8.44: Isoterma clássica de Adsorção mostrando os tipos de adsorção linear, de Lang-
muir e Alta Afinidade...............................................................................................................114
Figura 8.45: Corpo de Prova...................................................................................................117
Figura 8.46: Compactador de Bancada..................................................................................117
Figura 8.47: Saída de Dados do Equipamento WP4C...........................................................118
1. INTRODUÇÃO
Na construção de bacias de contenção de líquidos inflamáveis é comum que as
normas e legislações considerem como principal parâmetro o coeficiente de
permeabilidade (condutividade hidráulica), referenciando-se à água. Conside-
rando a norma brasileira ABNT NBR 17505-2:2015, a mesma especifica que
bacias de contenção devem ter coeficiente de permeabilidade máximo de 10-6
cm/s, referenciado à água a 20ºC, ou 10-4 cm/s, referenciado à água a 20ºC,
caso possuam canaletas de drenagem. Na indústria petrolífera a construção de
bacias de contenção utilizando solo argiloso é a técnica mais difundida, devido
à eficiência comprovada na retenção de água e ao baixo custo de implantação.
Durante o processo de extração do petróleo é gerado um grande volume de
água produzida ou água de produção que é um fluido quimicamente complexo,
o que torna difícil a previsão do seu comportamento durante um vazamento. O
volume de água produzida gerado na atividade de produção de petróleo, seja
onshore ou offshore, pode chegar a ser o maior volume, dentre todos os resí-
duos gerados pela indústria petrolífera (IFC, 2007a; IFC, 2007b). A água de
produção é, pelo menos, quatro vezes mais salgada que a água do mar e ge-
ralmente contem certa quantidade de toxinas, metais pesados e radioatividade,
dependendo da formação geológica de onde foi retirada (Farag & Harper,
2014). Devido ao grande volume gerado e a sua complexa composição química
e a falta de conhecimento acerca dos efeitos ecológicos de longo prazo, este
talvez seja um dos aspectos ambientais mais relevantes de toda indústria pe-
trolífera atualmente (Bakke et al, 2013).
Abordando a eficiência das bacias de contenção em relação à infiltração da
água de produção é relevante destacar que o entendimento do fenômeno hi-
dráulico deve ser complementado com o conhecimento do tema transporte dos
contaminantes presentes na água de produção. Conhecendo o comportamento
da migração dos solutos da água de produção ao longo da barreira de solo ar -
giloso, é possível estender a vida útil da bacia de contenção mesmo após a
ocorrência de vazamentos, já que, possivelmente o volume inicial de fluido a in-
filtrar no solo abaixo da barreira pode possuir concentrações aceitáveis de con-
1
2
taminação. Além disto, é possível que a própria bacia, em casos onde a perme-
abilidade é muito reduzida, realize a descontaminação através da biodegrada-
ção da água de produção realizada pelos microrganismos existentes no solo.
2. JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA
Ao longo das últimas décadas quando houve um rápido desenvolvimento hu-
mano, o petróleo se consolidou como recurso estratégico e de extrema impor-
tância, encontrando-se no centro da matriz de transporte de todo o planeta e
presente nas mais diversas cadeias produtivas, já que se trata de uma matéria-
prima e fonte de energia com uma boa relação custo-benefício (GURGEL et al,
2013).
Complementando o conceito de custo-benefício de maneira mais abrangente, o
conceito de sustentabilidade “está ligado ao desenvolvimento tecnológico e
econômico sem agressão ao meio ambiente, usando os recursos naturais de
maneira inteligente, possibilitando a manutenção deles (rios, lagos, oceanos,
florestas, matas) e garantindo a existência de vida no futuro” (GURGEL et al,
2013).
Segundo o artigo 10 da Resolução CONAMA nº 01 (1986), o impacto ambiental
é qualquer alteração das propriedades físicas, químicas e biológicas do meio
ambiente, causada por qualquer forma de matéria ou energia resultante das ati-
vidades humanas, que direta ou indiretamente, afetam: a) a saúde, a seguran-
ça e o bem-estar da população; b) as atividades sociais e econômicas; c) a bio-
ta; d) as condições estéticas e sanitárias do meio ambiente; e) a qualidade dos
recursos ambientais.
De acordo com Gonçalves et al. (2003), em quase toda sua cadeia produtiva, a
indústria do petróleo possui um expressivo potencial de degradação ao meio
ambiente, em diferentes níveis, a saber: no solo, na água, no ar e, podendo,
portanto, atingir todos os seres vivos.
Conforme foi relatado por Silva (2008), os principais impactos da atividade pe-
trolífera estão relacionados, entre outros motivos, ao derramamento de óleo e
dejetos do processo proveniente de vazamentos ou da má destinação destes
fluidos.
A contaminação do solo pode gerar problemas como danos à saúde humana,
comprometimento da qualidade dos recursos hídricos, restrições ao uso do
3
4
solo e danos ao patrimônio público e privado, como a desvalorização das pro-
priedades, além de danos ao meio ambiente (CETESB, 2006).
Neste contexto, é de extrema importância a mitigação destes possíveis impac-
tos ambientais através de mecanismos e tecnologias que atuem durante o pro-
cesso de produção. Tal ideologia está explícita no Relatório de Sustentabilida-
de da Petrobras (2010): “Conhecer, prevenir e mitigar os impactos ambientais
de nossas operações e produtos são diretrizes expressas no Plano de Negó-
cios. ”
Segundo Boscov. (2008), as técnicas de remediação de áreas contaminadas
podem ser classificadas em: in situ, tratamento do contaminante no próprio solo
(sem movimentação do solo); ex situ, remoção do material contaminado (esca-
vação do solo e bombeamento de água subterrânea). Independente da técnica
adotada, a remediação de solos contaminados geralmente envolve altos custos
e longos períodos de tempo.
Um dos principais mecanismos de prevenção de contaminação de solos e
águas subterrâneas é a barreira de minerais argilosos (diques de proteção). As
bacias de contenção são construídas ao redor dos tanques verticais de arma-
zenamento e das áreas de exploração do petróleo para conter lateralmente e
verticalmente eventuais vazamentos.
Souza (2014) apresentou que há uma carência de referências normativas naci-
onais adequadas a uma análise consistente das condições de estanqueidade
de bacias de contenção não revestidas de tanques de armazenamento de hi-
drocarbonetos evidenciada pela obsolescência da NBR 17505-2 nesse quesito.
Carvalho et al. (2015) verificaram que o grau de saturação influencia na perme-
abilidade e que as intempéries reduzem a eficiência das bacias de contenção.
Considerando os riscos ambientais devido ao não conhecimento do comporta-
mento da água de produção nas bacias de contenção e os altos custos de re-
medição de vazamentos ou de utilização de técnicas alternativas para melhora-
mento da vedação das bacias, se torna necessário um estudo mais aprofunda-
do da interação da água de produção, destacando o comportamento dos seus
contaminantes, com as barreiras de solo argiloso compactado.
3. PROBLEMAS DE PESQUISA
3.1. GERAL
Imprecisão quanto a modelagem do comportamento hidráulico e da migração
dos contaminantes em uma situação de vazamento de água de produção de
petróleo sobre uma bacia de contenção de solo argiloso compactado.
3.2. ESPECÍFICOS
Necessidade de um método de ensaio que permita a obtenção simultânea e
precisa dos diversos parâmetros relacionados ao fluxo em solos e à migração
de contaminantes.
Falta de informações referentes às possíveis propriedades de biodegradação
de contaminantes orgânicos pelas próprias barreiras de contenção da água de
produção.
4. HIPÓTESES DE PESQUISA
4.1. GERAL
O comportamento hidráulico e a migração de contaminantes da água de produ-
ção de petróleo durante vazamento em solos argilosos se diferenciarão dos fe-
nômenos descritos para outros fluidos orgânicos nas mesmas condições.
4.2. ESPECÍFICOS
A obtenção simultânea dos diversos parâmetros relacionados ao fluxo em solos
e à migração de contaminantes será possível e proverá resultados confiáveis a
partir do Ensaio de Coluna Monitorada.
Para alguns tipos de solos será possível verificar degradação do composto or-
gânico através da curva de chegada e de análises biológicas.
5
6
5. OBJETIVOS DE PESQUISA
5.1. GERAL
Analisar a migração água de produção de petróleo (fluido e contaminantes) em
solo argiloso não saturado compactado com a finalidade de definir parâmetros
que possibilitem a tomada de decisões em caso de derramamento na área de
produção de petróleo.
5.2. ESPECÍFICOS
Através do Ensaio de Coluna Monitorada determinar simultaneamente e de for-
ma precisa a variação da condutividade hidráulica no meio não saturado no
tempo, as curvas de infiltração, a condutividade hidráulica saturada, as curvas
de chegada do contaminante e as curvas características.
Analisar o comportamento da interação solo e água de produção verificando a
ocorrência de biodegradação dos componentes orgânicos e viabilizar a utiliza-
ção deste fenômeno favorecendo à segurança em caso de vazamentos.
6. REVISÃO DE LITERATURA
6.1. CONCEITO DE ENERGIA NA ÁGUA NOS SOLOS
A água presente nos solos, como qualquer matéria, apresenta uma quantidade
de energia que pode ser dividida em energia potencial e cinética. A energia ci -
nética, na maioria das vezes, pode ser desprezada já que o movimento da
água é muito lento, o que torna a magnitude desta energia ínfima diante da
energia potencial.
A energia potencial, que neste caso também pode ser denominada carga total
(energia/massa), é determinante na migração da água dentro do solo. Durante
o movimento, a água sempre segue na direção da maior energia potencial, ou
carga, para a menor.
Segundo Reichardt e Timm (2004), o potencial total, ou potencial hidráulico,
pode ser definido por uma composição de cinco parcelas de potenciais meno-
res, conforme a Equação 1:
(1)
Onde:
ψt é o potencial térmico, proveniente de pequenas variações de temperatura da
água no solo;
ψp é o potencial de pressão, considerada somente quando a pressão atuante
sobre a água é maior que a pressão atmosférica;
ψg é o potencial gravitacional, representa a energia potencial do campo gravi-
tacional da terra e está relacionada com a elevação do ponto em consideração
a um referencial;
ψm é o potencial matricial; corresponde à pressão negativa da água em meios
não saturados, decorrente das forças capilares e as forças de adsorção que
atraem as partículas
ψo é o potencial osmótico, função da concentração de solutos.
7
8
Existem diferentes formas de expressar o potencial hidráulico: como medida de
energia; como potencial por unidade de volume; como potencial por unidade de
massa e como potencial por unidade de peso, também chamado carga, a mais
comum nos estudos de fluxo em solos.
No estudo de fluxo em solos não saturados, o potencial matricial, também cha-
mada de sucção matricial por ser sempre negativo, é aquele merece um enfo-
que mais significativo. Os valores sucção matricial variam ao longo do tempo
dependendo da quantidade de água presente nos poros.
A sucção ocorre, basicamente, devido às forças capilares e as forças de adsor-
ção que atraem as partículas, como pode ser verificado na a seguir:
Figura 6.1: Água Capilar e de Adsorção
Fonte: Hillel (1971) apud Gerscovich (1994)
A capilaridade está relacionada à macroestrutura do solo, ou seja, aos poros in-
terconectados que, através dos quais, a água flui devido a gradientes de pres-
são capilar. A adsorção, por sua vez, está associada à microestrutura do solo,
e depende do nível de hidratação dos minerais argilosos (de Campos et al.,
1992).
O efeito da capilaridade ocorre devido ao desbalanceamento de forças de atra-
ção entre as moléculas presentes na interface líquido-gás dentro do poro. Con-
siderando o modelo de um tubo capilar como representativo do poro, verifica-se
que, no caso da água, na superfície do menisco as forças em direção à fase
gasosa são menores que as forças em direção à fase líquida, diferente do que
ocorre dentro do líquido, onde todas as forças são de igual intensidade (Figura
2). Esta diferença de intensidades resulta em forças direcionadas ao interior do
tubo, conforme mostra a Figura 3.
Figura 6.2: Desbalanceamento de For-
ças na Interface Líquido-gás
Figura 6.3: Formação de meniscos ca-
pilares
Fonte: Ferreira (2010) Fonte: Libardi (1993) apud Carvalho et al.
(2015)
A adsorção é um fenômeno resultante da ação de forças elétricas de atração e
repulsão entre partículas do solo. Nos solos argilosos, a adsorção acarreta a
formação de uma dupla camada, com propriedades de resistência e viscosida-
de diferentes da água pura, nas mesmas condições de temperatura e pressão.
A água presente na camada dupla é responsável pelos elevados teor de umi-
dade em solos argilosos, mesmo para altos valores de sucção (GERSCOVICH,
1994).
9
10
6.2. PROPRIEDADES HIDRÁULICAS DE SOLOS SATURADOS
6.2.1. Condutividade Hidráulica em Meio Saturados
O primeiro passo para conhecimento das propriedades hidráulicas em solos sa-
turados foi dado em 1856, por Henry Darcy, quando a partir da realização de
experimentos na condição do equilíbrio dinâmico dos fluidos, concluiu que a va-
zão da água (ν) seria diretamente proporcional ao gradiente médio de energia
através do solo (i), sendo chamada de Lei de Darcy:
(2)
Onde:
v = velocidade de descarga em cm/s;
k = coeficiente de permeabilidade do solo, em cm/s;
i = gradiente hidráulico, definido pela razão entre a perda de carga h ao longo
de uma distância L de percolação.
A Equação 2 pode ser escrita em função da vazão já que Quando o fluxo passa
através de uma secção transversal, é possível determinar a vazão Q (cm³/s)
multiplicando-se a área A (cm²) pela velocidade de descarga v (cm/s):
(3)
Apesar de ser amplamente utilizada, a Lei de Darcy possui restrições. Para
aplicação de Lei de Darcy a velocidade do fluxo deve ser relativamente baixa,
garantindo que se encontre no estado lamelar. Reynolds mostrou que a veloci-
dade de percolação da água é uma função do gradiente hidráulico, e que existe
uma velocidade crítica abaixo da qual o regime é laminar, havendo proporcio-
nalidade entre o gradiente hidráulico e a velocidade do fluxo. Acima desta velo-
cidade crítica, o fluxo torna-se turbulento, já que a relação não é mais linear, e
portanto, a lei de Darcy não é mais válida (Head, 1994). O tipo de escoamento
pode ser avaliado utilizando limites definidos pelo número de Reynolds (Taylor,
1948):
(4)
Onde:
Re é o número de Reynolds (adimensional);
v é a velocidade do fluxo;
D a dimensão característica da matriz sólida;
γ é o peso específico do fluido;
μ é a viscosidade do fluido;
g é a aceleração da gravidade.
Número de Reynolds abaixo de 100 já pode representar fluxo laminar conforme
apresenta a Figura 6.4, porém, alguns autores indicam que, para garantí-lo, o
ideal é a limitação a 10 ou, para alguns mais conservadores, a 1.
Figura 6.4: Classificação esquemática do fluxo baseada no número de Rey-
nolds
Fonte: Uribe (2016) modificado de Tindall & Kunkel, 1999)
A partir das conclusões de Darcy, outra contribuição importante para o conheci-
mento existente hoje foi dada por Nutting (1934). Nutting realizou uma série de
experimentos de fluxo com água em permeâmetros com solos granulares com
diferentes diâmetros e posteriormente com fluidos diferentes, concluindo que a
11
12
textura dos solos junto a viscosidade dinâmica (μ) e a densidade dos fluidos (ρ)
influenciariam também na velocidade de percolação. Nutting propôs que a ex-
pressão para k (permeabilidade do solo) fosse escrita de acordo com a seguin-
te equação:
(5)
Onde:
ρ é a densidade do fluido;
μ é a viscosidade dinâmica do fluido, com dimensão;
g é a constante de aceleração da gravidade;
e K é a permeabilidade intrínseca representada por:
(6)
Onde:
C é uma constante adimensional de proporcionalidade que leva em considera-
ção propriedades do solo tais como: esfericidade dos grãos, distribuição dos ta-
manhos dos grãos, natureza do arranjo, etc;
d é o diâmetro dos grãos.
Conforme foi explanado por Oliveira (2001), de maneira geral na Europa, e
mesmo aqui no Brasil, emprega-se os termos coeficiente de permeabilidade e
permeabilidade relativa, como sinônimos para o termo condutividade hidráulica,
que representa a constante de proporcionalidade (k) da Lei de Darcy. No en-
tanto, a literatura de língua inglesa emprega o termo “hydraulic conductivity”
para significar a condutividade hidráulica, enquanto o termo “permeability” é
normalmente utilizado para significar a permeabilidade intrínseca (K). A termi-
nologia norte-americana é mais concisa e evita as constantes confusões entre
condutividade hidráulica e permeabilidade, por isso, essa terminologia foi utili-
zada em seu trabalho e será adotada neste também.
6.2.1.1. Fatores que afetam a condutividade hidráulica
Segundo Head (1994), condutividade hidráulica depende das propriedades do
solo, por exemplo: a distribuição dos grãos, a forma e textura, a composição
mineralógica, o índice de vazios, o grau de saturação, a estrutura e a anisotro-
pia Também influenciam na condutividade hidráulica as características do flui-
do como: o peso específico, o coeficiente de viscosidade e a polaridade do flui-
do. Os fatores que afetam a condutividade serão descritos mais detalhadamen-
te a seguir:
DISTRIBUIÇÃO DOS TAMANHOS DE GRÃOS, FORMA E TEXTURA
A distribuição dos grãos tem muita influência no valor da condutividade hidráuli -
ca de solos granulares. (Head, 1994). Em meios porosos, a intensidade do flu-
xo será ditado pelos microporos, assim, quanto menor o tamanho dos grãos,
menores e mais frequentes serão os microporos e maior será a resistência ao
fluxo.
A geometria dos canais de fluxo também é função da forma e da orientação
das partículas de argila.
Segundo Head (1994), partículas que apresentam formas irregulares ou alon-
gados geram caminhos mais tortuosos para o fluxo do que partículas quase es-
féricas. Como consequência, estes caminhos causam uma diminuição da per-
meabilidade do solo, da mesma forma, partículas que tem superfícies rugosas
fornecem maior atrito e geram maior resistência ao fluxo do que partículas que
apresentam superfícies lisas
Em estudo apresentado por Mesri e Olson (1971) se analisou a condutividade
hidráulica utilizando solos com composição de argilominerais diferentes: cauli-
nita (maior tamanho das partículas), ilita e esmectita (menor tamanho das partí-
culas), e fluido percolante água. Analisando a Figura, é possível notar que
quanto maior o tamanho da partícula maior a condutividade.
13
14
Figura 6.5: Coeficiente de permeabilidade de três argilas com diferentes tama-
nhos de grãos
Fonte: Torralba (2007) adaptado de Mesri e Olson, 1971
ÍNDICE DE VAZIOS
PROCESSOS DE COMPACTAÇÃO
A condutividade hidráulica das argilas é função do teor de umidade e o tipo de
energia de compactação utilizada. A sua complexa estrutura associada com o
grau de compactação permite um amplo intervalo de valores de permeabilida-
de, inclusive para o mesmo teor de umidade e massa específica seca (Reddi,
2003).
COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA
GRAU DE SATURAÇÃO
PROPRIEDADES DO FLUIDO PERCOLANTE
TEMPERATURA
6.2.1.2. Métodos para Determinação de Condutividade HidráulicaSaturada
Para determinar a função de condutividade hidráulica saturada foram desenvol-
vidos diversos métodos, os quais podem ser laboratoriais ou de campo.
MÉTODO DO PERMEÂMETRO COM CARGA CONSTANTE
Consiste na utilização permeâmetro cuja carga é mantida por um certo tempo
para que a água percole pelo solo e depois medida. Por meio das medidas de
volume no tempo, pode-se calcular a vazão e conhecendo-se as características
geométricas do sistema, calcula-se o coeficiente de permeabilidade diretamen-
te com a Lei de Darcy.
MÉTODO DO PERMEÂMETRO COM CARGA VARIÁVEL
Esse tipo de permeâmetro é usado em solos que possuem coeficiente de per-
meabilidade muito baixo, sendo possível a aplicação de pressão no fluido. A
vazão da água que passa pelo solo pode ser medida pela água que passa pela
bureta.
ENSAIOS DE CAMPO:
De acordo com Pinto (2002), pode-se medir o coeficiente de condutividade hi-
dráulica do solo através de um furo de sondagem de simples reconhecimento.
Esse ensaio consiste em monitorar a vazão necessária para manter um nível
d'água estabelecido constante. Segundo o autor, estes ensaios são menos pre-
cisos que os de laboratório.
MÉTODO DO ADENSAMENTO:
O coeficiente de condutividade hidráulica também pode ser obtido por meio de
ensaios de adensamento, fazendo-se uso da teoria da consolidação unidirecio-
nal de Terzaghi Sabendo-se a velocidade de recalque de um solo submetido a
uma compressão, encontra-se a velocidade de saída da água e, em posse do
gradiente hidráulico e da área de drenagem, a condutividade saturada.
15
16
6.3. PROPRIEDADES HIDRÁULICAS DE SOLOS NÃOSATURADOS
6.3.1. Curva Característica
A Curva Característica, também chamada de Curva de Sucção ou Curva de
Retenção, representa a relação existente entre a quantidade de fluido presente
nos poros do solo e sua respectiva sucção. Quando o fluido em estudo é a
água, sua quantificação pode ser expressa em termos de teor de umidade gra-
vimétrico (w), teor de umidade volumétrico ( ) ou grau de saturação (Sr). Aϴ
sucção é um valor negativo, definido pela diferença entre a pressão de ar (ua)
e a pressão positiva da água (uw) nos solos:
(7)
Segundo Sousa (2012), a relação funcional entre o teor de líquido presente nos
poros e a pressão capilar, denominada de curva de retenção, encerra informa-
ções imprescindíveis para descrição matemática do fluxo em meio poroso. Sua
utilização vai desde a resolução de problemas de fluxo transiente até a agricul-
tura para determinação da capacidade de campo. Na geotecnia a curva de re-
tenção tem sido utilizada para previsão da resistência ao cisalhamento e da
curva do coeficiente de permeabilidade de solos não saturados.
Em conteúdos baixos de umidade, o potencial da água dos poros é relativa-
mente baixo quando comparado com o da água livre e a sucção corresponden-
te é elevada. Para conteúdos elevados de umidade, a diferença entre o poten-
cial da água dos poros e o potencial da água livre diminui e a sucção corres-
pondente é relativamente baixa. Quando o potencial da água dos poros é igual
ao potencial da água livre, a sucção é zero. (MONCADA, 2008)
Na maioria das vezes, a Curva Característica apresenta uma forma de S e pos-
sui como principais parâmetros: teor de umidade volumétrico residual ( r), teorƟ
de umidade volumétrico saturado ( sat); sucção de entrada de ar (Ɵ ψb) e capa-
cidade de retenção específica (Δψ/ΔƟ).
Segundo Fredlund & Xing (1994), o valor de entrada de ar de um solo é o valor
da sucção matricial último a partir do qual o ar começa a entrar nos vazios mai-
ores do solo. O teor de umidade residual é o conteúdo de umidade a partir do
qual é necessária uma grande variação de sucção para remover mais água do
solo, ou, o valor de umidade a partir do qual aumentos de sucção não produ-
zem variações significativas no conteúdo de umidade. Fredlund & Xing (1994)
apud Moncada (2008) indica que é possível determinar o teor de umidade resi-
dual e o valor de entrada de ar a partir do traçado de tangentes à curva, como
está apresentado na Figura 6.6.
Figura 6.6: Curva Característica típica – Solo Siltoso
Fonte: Fredlund & Xing (1994) apud Moncada (2008)
Dentre os principais fatores que influenciam na forma da curva característica,
podem ser citados o tipo de solo (estrutura e agregação), o teor de umidade ini-
cial, o índice de vazios, a textura, a mineralogia, a história de tensões e os mé-
todos de compactação (VANAPALLI ET AL.,1999).
Enquanto areia e pedregulhos perdem grande parte da umidade com um pe-
queno acréscimo de pressão, argilas tendem a perder muito menos água consi-
derando o mesmo acréscimo. Este fenômeno pode ser explicado pela dimen-
são dos poros na estrutura dos solos: nas argilas a quantidade de microporos é
muito superior, existindo forças capilares atuando na retenção da água. Além
17
18
disto, a área superficial das argilas é muito maior do que dos solos grossos e,
pelo seu histórico de formação, possui carregamento de elétrons. Esta configu-
ração permite que uma quantidade maior de água se adsorva à superfície da
argila através de uma ligação forte.
Aubertin et al (1998) apud Ferreira (2010) apresentaram faixas de variação do
valor de entrada de ar (ψb) de acordo com o tipo de solo. Esses valores são
apresentados na Tabela 6.1.
Tabela 6.1: Faixa de Variação da Sucção de Entrada de Ar
Fonte: Ferreira (2010)
Côté et al. (2002) apud Feuerhamel (2003) sugerem que a quantidade de finos
influenciam o valor de entrada de ar, e sugere que se a quantidade de finos for
pequena, o valor de entrada de ar será baixo. Por outro lado, se o teor de finos
ultrapassar um valor crítico requerido para preencher os vazios entre as partí-
culas maiores, o valor de entrada de ar aumenta. O estudo também indicou que
a inclinação da curva característica está relacionada com a superfície específi-
ca da fração fina. Em geral, a inclinação da curva decresce com o aumento da
superfície específica.
O histórico de tensões, métodos de compactação e índices de vazios são ca-
racterísticas do solo que influenciam apenas na macroestrutura, ou seja, alte-
rando a zona da curva de baixas sucções. Quanto à história de tensões, Bar-
bour (1998) apud Feuerhamel (2003), sugerem que quanto maior a tensão de
pré-adensamento, mais elevado é o valor de entrada de ar.
Quanto à umidade de compactação, segundo Vanapalli et al. (1999) apud Feu-
erhamel (2003), amostras compactadas no ramo seco tendem a ser governa-
das pela macroestrutura e amostras compactadas no ramo úmido pela micro-
estrutura. Tal fenômeno é decorrente da estrutura formada durante a compac-
tação nos diferentes ramos: amostras compactadas no ramo seco apresentam
macroporos grandes entre torrões que não são remoldados durante a compac-
tação, facilitando a perda de água; por outro lado, as amostras compactadas no
ramo úmido apresentam poros em microescala (no estado ocluso ou sem cone-
xão). As amostras do ramo úmido são mais homogêneas, isentas de macropo-
ros e apresentam maior capacidade de armazenar água. A condição limite en-
tre poro ocluso e poro aberto ocorre para um teor de umidade aproximadamen-
te igual ao ótimo da curva de compactação
Figura 6.7: Curvas características de amostras compactadas em diferentes
umidades iniciais
Fonte: Vanapalli et al. (1999) apud Feuerhamel (2003)
A respeito da energia de compactação empregada, o aumento desta torna o
solo mais denso, ou seja, o volume de vazios maiores é reduzido, fazendo com
que os poros de dimensão intermediária aumentem (poros maiores transfor-
mam-se em intermediários) e quase não haja alteração nos microporos (GERS-
COVICH, 2001). Segundo, Tinjum et al. (1997), valor de entrada de ar é geral -
mente maior e a inclinação da curva é ligeiramente mais íngreme para amos-
tras compactadas com energia de compactação maior. Resultados semelhan-
tes de Leong e Rahardjo (2002) podem ser observados na Figura 6.
19
20
Figura 6.8: Efeito da energia de compactação na curva característica
Fonte: Leong e Rahardjo (2002) apud Feuerhamel (2003)
No Brasil, a influência da energia de compactação na forma da curva caracte-
rística de um solo residual de gnaisse foi estudada por Marinho e Stuermer
(2000) utilizando três diferentes energias: Proctor normal (SP), Proctor modifi-
cado (MP) e uma energia abaixo do normal (NE). O valores obtidos confirmam
que o aumento da energia de compactação eleva o valor de entrada de ar do
solo e após esse valor o comportamento de todas as amostras é praticamente
o mesmo, conforme é possível verificar na Figura 6.9.
Figura 6.9: Influência da energia de compactação na curva característica
Fonte: Marinho e Stuermer (2000) apud Feuerhamel (2003)
Além dos fatores citados por Vanapalli et al. (1999A), é também de grande im-
portância a trajetória seguida, podendo ser de secagem ou umedecimento, já
que a curva característica não é uma função biunívoca. Os pontos da curva ob-
tida através do processo de umedecimento diferem dos pontos da curva de
drenagem devido ao fenômeno denominado de histerese. No processo de
umedecimento, a curva característica tende a apresentar, para o mesmo valor
de umidade, sucções mais elevadas do que as observadas em um processo de
secagem. Segundo Machado e Zuquette (2004) apud Sousa (2012), a razão
deste comportamento no meio poroso está associada a fatores como: a geo-
metria não uniforme dos poros, diante da intercomunicação através de peque-
nas passagens; o efeito do ângulo de contato, que varia em função da trajetória
seguida no avanço ou recuo do menisco e, a ordem de preenchimento em fun-
ção do tamanho dos poros; a ocorrência de bolhas de ar aprisionadas, que in-
fluenciam a trajetória de umedecimento e as variações de volume sofridas por
expansão e retração. Assim, durante o processo de redistribuição de umidade,
se pode encontrar, para o mesmo solo e, em condições de equilíbrio de suc-
ção, diferentes valores de umidade. O fenômeno de histerese está representa-
do na Figura 6.10, onde na Figura (b) é possível verificar o efeito Ink Bottle: o
valor maior de umidade é referente ao processo de drenagem, menor ângulo
de contato, e o menor ao processo de umedecimento, maior ângulo de contato
permitindo aprisionamento do ar.
Figura 6.10: Histereses da curva de retenção (a) e efeito tinteiro atuante na his-
terese (b)
Fonte: Sousa (2012) adaptado de Tuller e Or (2004)
21
22
6.3.1.1. Equações de Modelagem de Curvas Características
Diversas equações foram propostas na literatura para modelagem das curvas
características. Em geral, essas equações são restritas a certos tipos de solos,
com um formato particular de curva característica, ou faixas limitadas de suc-
ções (Vanapalli et al., 1996). Segundo Gerscovich et al (2004) muitas modelos
se baseiam no pressuposto de que a curva depende da distribuição de tama-
nho de grãos e, a curva pode ser estimada diretamente da distribuição de ta-
manhos de grãos e das propriedades físicas do solo.
Gardner (1958) foi o primeiro a propor um modelo do tipo θ(ψ), o qual exige um
número pequeno de variáveis, conforme mostrado na Equação 8. Segundo
Fredlund et al (2011), tal modelo é tal simplificado que cria limitações para sua
utilização.
(8)
onde:
α e n são parâmetros de ajuste;
é a umidade volumétrica residual;
ψ é a sucção matricial ou potencial de sucção.
Brookes & Corey (1964) propuseram uma equação com mais parâmetros para
definir a forma da curva característica de sucção, dada por:
(9)
com:
(10)
onde:
θS e θR são os conteúdos de umidade volumétrico saturado e residual, respec-
tivamente;
ψ é a sucção;
ψb é o valor de entrada de ar;
λ é um índice relacionado com a distribuição de tamanhos de poros.
Van Genuchten (1980) apresentou uma classe de funções para a representa-
ção da curva característica, de maneira análoga ao modelo estabelecido para
coeficiente de permeabilidade K(ψ) , que será apresentado posteriormente.
(11)
Onde:
θS e θR são os conteúdos de umidade volumétrico saturado e residual, respec-
tivamente;
α e n são parâmetros de ajuste;
E m é dado por:
(12)
Segundo van Genutchen (1980), o valor de α é aproximadamente o inverso do
valor de entrada de ar.
O modelo de van Genutchen (1980) não modela a curva característica em pon-
tos próximos à secagem completa do solo. Neste âmbito, Fredlund & Xing
(1994) partem da distribuição granulométrica do solo para obter uma equação
que descreva a variação da sucção com o conteúdo de umidade volumétrica.
Com este modelo, e considerando que o valor de sucção correspondente a um
teor de umidade zero é igual a 10e6 kPa, eles propuseram a Equação (13):
23
24
(13)
Com:
(14)
Onde:
α, m e n são parâmetros de ajuste sendo que: α está relacionado a sucção ini-
cial (ψi), ,
e = 2,718;
θS é a umidade volumétrica saturada;
θR é a sucção em condições residuais.
Estudos efetuados por Gerscovich et al (2004) mostraram que os modelos pro-
postos por: Gardner (1958), van Genuchten (1980) e Fredlund & Xing (1994)
são os que melhores se ajustam aos solos brasileiros.
6.3.1.2. Técnicas para Determinação de Curva Característica
Para obter a curva característica de sucção completa de um solo é necessário
utilizar vários métodos, já que nenhum método consegue cobrir toda a faixa de
variação de sucção satisfatoriamente. Usualmente os métodos utilizados para
medir sucção são divididos em dois grupos: diretos e indiretos. Métodos diretos
são aqueles em que a sucção é medida diretamente e os métodos indiretos
são aqueles em que esta é medida através de um parâmetro ou propriedade do
solo. A placa de sucção, a centrífuga, o tensiômetro, o psicrômetro e o apare-
lho de membrana de pressão constituem alguns métodos diretos e entre os
métodos indiretos estão o dessecador de vazios, a balança de adsorção e o
papel filtro (FEUERHAMEL, 2003). Em linhas gerais, pode-se seguir a seguinte
recomendação na escolha dos métodos: até sucções de 30kPa, utilizar a placa
de sucção; de 30 até 300kPa utilizar a placa de pressão (ou um transdutor de
alta capacidade de sucção). Para valores maiores de sucção, a utilização do
método de papel filtro ou de transdutores de alta capacidade tem-se mostrado
adequados (Villar, 2000; Moncada, 2002; Oliveira, Marinho, 2004; Marinho,
1997). A Tabela 2 apresenta uma relação das técnicas comumente utilizadas
relacionando com os tipos de sucção possíveis de se obter, a faixa limite de
sucção e as referências para aplicação das mesmas.
Tabela 6.2: Técnicas de medição de sucção
Fonte: Ridley e Burland (1993), Ridley e Wray (1995) e Marinho(2000) apud
Feuerhamel (2003)
Nesta dissertação, os pontos de sucção serão obtidos através da Técnica da
Placa de Pressão e utilizando o Dewpoint PotentiaMeter (WP4), equipamento
25
26
baseado na lei psicométrica. Um conteúdo mais aprofundado sobre estas técni-
cas será apresentado no Capítulo 8.5.3.
6.3.2. Condutividade Hidráulica em Meio Não Saturados
A Lei de Darcy, citada no capítulo 6.2, foi concebida para fluxo em solos satura-
dos, sendo ampliada por Edgar Buckingham (1907) para o fluxo não saturado.
Segundo Buckingham (1907) a condutividade hidráulica não saturada seria fun-
ção do conteúdo de água ou da sucção no solo. Quando se introduz a relação
de dependência entre condutividade e umidade na lei de Darcy para descrever
o fluxo em solos não saturados esta lei passa a ser chamada de lei de Bucking-
ham-Darcy (Equação 15) (Buckingham, 1907 citado por Nimmo e Landa,
2005).
(15)
Onde:
v é a densidade de fluxo (Q/A);
dh/ds é o gradiente do potencial hidráulico;
K(θ) é o coeficiente de permeabilidade não saturado, em função da umidade
volumétrica.
A relação entre condutividade hidráulica e umidade volumétrica (ou sucção
mátrica) define a função de condutividade hidráulica, ou Função-K do solo, pro-
posta primeiramente por Buckingham, em 1907. Buckingham originou o concei-
to de potencial mátrico, curva de retenção e condutividade hidráulica não satu-
rada ( K ) como propriedades distintas de um solo (Nimmo e Landa, 2005).
Diferente do que ocorre no fluxo em solos saturados, nos solos não saturados
a água não está livre para fluir no meio poroso já que sofre influência da suc-
ção do solo (potência mátrico). Em um solo não saturado, a carga piezométrica
(h) em um ponto é dada pela equação:
(16)
Onde:
rw é a massa específica da água;
g a aceleração da gravidade;
uw é a pressão de sucção da água,
ua é a pressão do ar;
z é a carga de posição.
O termo osmótico (relacionado à concentração de solutos) não é indicado por
ser, normalmente, desprezível.
Baseado na Lei de Buckingham-Darcy aliada ao princípio de conservação das
massas (Equação 17), Richards (1928) formulou as bases teóricas para des-
crever a percolação da água em um meio poroso não saturado.
(17)
Onde:
S é o grau de saturação;
é a porosidade efetiva;ϕ
ρ é a massa específica da água;
v vetor velocidade efetiva do fluido (v=q/ ) ϕ
A expressão formulada por Richards (1928) para fluxo unidimensional em meio
poroso não saturado está apresentada na Equação
27
28
(18)
Onde:
θ é a umidade volumétrica;
Kz (θ) é o coeficiente de permeabilidade não saturada em função da θ é a umi-
dade volumétrica;
ψ potencial mátrico;
e z o potencial gravitacional.
A equação de Richards permite avaliar a umidade do solo em condições transi-
entes podendo ser utilizada sob as mais diferentes formas e, a depender da
técnica de solução numérica empregada. Dessa forma, o fluxo de água em so-
los não saturados pode ser descrito através de três variáveis não lineares rela-
cionadas: a umidade volumétrica (θ), a sucção mátrica (ψ) e a condutividade hi-
dráulica ( K ) (Fredlund e Rahardjo, 1993).
Além dos fatores já citados no capítulo 6.2, no fluxo em meios não saturados o
grau de saturação possui grande influência na condutividade hidráulica. Quanto
maior o grau de saturação do solo maior será a condutividade hidráulica. Este
fenômeno se dave a existência de bolsas de ar remanescentes após a percola-
ção da água que funcionam como barreiras ao fluxo. A mesma conlusão pode
ser alcançada considerando que quanto maior o número de poros preenchidos,
maior será a área útil para o fluxo.
Figura 6.11: Área útil de fluxo em meios porosos não saturados
Fonte: Miqueletto (2007) adaptado de Reichardt e Timm (2004)
Segundo Dias (2012), a variação da condutividade hidráulica com o grau de sa-
turação depende das propriedades geométricas dos canais através dos quais a
água se move. Os primeiros poros a se esvaziarem na dessaturação são os
grandes poros, ficando o fluxo cada vez mais restrito aos poros menores. Des-
sa maneira, solos que apresentem canais de fluxo maiores (solos granulares)
tendem a drenar mais rapidamente, acarretando uma queda mais acentuada
no valor da condutividade não saturada com a diminuição do grau de saturação
do que em solos finos, que apresentam grande quantidade de microporos. Os
microporos retêm água por força de capilaridade mantendo o fluxo contínuo
nestes pequenos canais. O resultado é uma queda mais suave no valor de con-
dutividade hidráulica não saturada com a redução do grau de saturação em so-
los finos quando comparado aos granulares.
29
30
Figura 6.12: Função da condutividade para solo arenoso e argiloso
Fonte: Dias (2012) adaptado de Hillel (1998)
Como o índice de vazios e a textura também estão relacionados à distribuição
dos poros é possível concluir que, ao contrário do que acontece na condição
saturada onde um grande índice de vazios e a presença de poros largos garan-
tem alta condutividade hidráulica saturada, na condição não saturada, quando
maior o índice de vazios e o tamanho dos poros mais facilmente estes são dre-
nados. Este fonômeno facilita a entrada de ar no solo e reduzindo a área de flu-
xo contínuo, ou seja, reduzindo a condutividade hidráulica
6.3.2.1. Métodos para Determinação de Condutividade Hidráulica NãoSaturada
Para determinar a função de condutividade hidráulica não saturada foram de-
senvolvidos diversos métodos que se dividem em experimentais (resultados di-
retos a partir de ensaios) e preditivos (relações empíricas entre a função con-
dutividade e a curva de retenção de umidade do solo ou suas propriedades vo-
lume-massa).
MÉTODOS EXPERIMENTAIS
Os métodos experimentais podem ser divididos em métodos de campo e labo-
ratoriais e em métodos transientes e permanentes.
A maioria dos métodos permanentes para determinação da condutividade hi-
dráulica não saturada é similar aos métodos usados para determinação de con-
dutividade hidráulica saturada. Os ensaios consistem na aplicação de fluxo ou
gradiente hidráulico constante ao solo. No primeiro caso (fluxo constante),
mede-se a sucção e, no segundo (gradiente hidráulico constante), mede-se a
taxa de fluxo, para, então, determinar-se a condutividade hidráulica não satura-
da por meio da lei de Darcy. (DIAS, 2012)
Nos métodos transientes a condutividade hidráulica é determinada através de
soluções analíticas que descrevem o fluxo transiente ou aplicando a lei de
Darcy através de diferenças finitas, já que em espaços de tempo muito peque-
nos a condição se aproxima da permanente.
A maior vantagem dos métodos transientes, em relação à determinação em re-
gime permanente, é o tempo necessário para a execução dos ensaios. Entre
as limitações pode citar-se que não existe controle do estado de tensões nem
da variação de volume do corpo de provas, além de não existir dados consis-
tentes comparando os valores obtidos com estes ensaios com os obtidos por
ensaios em regime permanente (e.g. Gardner, 1956; Fujimaki & Inoue, 2003).
Segundo Klute e Dirksen (1982), Nimmo et al. (1987), Prevedello (1996), Ben-
son e Gribb (1997), Masrouri et al. (2008) e vários outros autores, apresentam
melhores resultados quando comparados aos métodos transientes existentes
(DIAS, 2012).
Na Tabela , estão apresentados alguns métodos transientes e permanentes de
determinação da função da condutividade hidráulica:
31
32
Tabela 6.3: Métodos para determinação da função de condutividade hidráulica
Fonte: Dias (2012) baseado em informações de Benson e Gribb (1997) e Masrouri et al. (2008);
Reis et al. (2011) e Sterck (2011).
Neste trabalho será utilizado o método do perfil instantâneo que será explicado
no capítulo 8.4.
MÉTODOS PREDITIVOS
Como uma alternativa para a determinação da função da condutividade hi-
dráulica através dos métodos diretos ou experimentais, foram desenvolvidos
modelos matemáticos para estimar a variação da condutividade hidráulica em
função da sucção matricial.
A utilização de métodos preditivos tem sido mais comum que a de métodos ex-
perimentais, já que estimativas confiáveis da condutividade hidráulica não satu-
rada através de experimentos são difíceis de obter, em parte devido à variabili-
dade em campo e ao tempo e custos altos dos ensaios laboratoriais. Na práti-
ca, em vez de realizar experimentos diretos, se utiliza modelos estatísticos ba-
seados na curva de retenção para se prever a função de condutividade não sa-
turada. Neste modelos se assumem que o solo é constituído em uma série de
poros interconectados cuja distribuição de tamanhos é caracterizada pelo for-
mato da curva de retenção.
Segundo Mualem (1986) três tipos de modelos são utilizadas para descrever a
função de permeabilidade: equações empíricas, modelos macroscópicos e mo-
delos probabilísticos. Estas categorias indicam o grau de sofisticação teórica
aplicado a cada método, sendo os modelos estatísticos os mais sofisticados.
Na Tabela estão apresentados alguns modelos que descrevem a função de
condutividade hidráulica de solos não saturados.
Tabela 6.4: Equações do Modelos para determinação da função de condutivi-
dade hidráulica
Fonte:
33
34
6.4. MECANISMOS DO TRANSPORTE DE MASSA EM SOLOS
O conhecimento do mecanismo de transporte de massa nos solos é de funda-
mental importância para o entendimento do comportamento da água de produ-
ção em uma bacia de contenção durante um vazamento.
O transporte de massa em meios porosos pode ser descrito como o movimento
de determinado composto miscível ou não em um solo que pode estar com os
seus poros saturados ou não de água. O transporte de um composto é influen-
ciado por três fatores básicos (características da substância, do meio poroso e
das condições ambientais) que determinam uma maior ou menor movimenta-
ção deste. (MARQUES,2012)
Segundo Moncada (2004), as características básicas do contaminante que in-
fluenciam no transporte são a densidade, concentração, polaridade, solubilida-
de, cosolvência, volatilidade (pressão de vapor), pH, potencial iônico, DBO -
Demanda Bioquímica de Oxigênio, DQO – Demanda Química de Oxigênio, teor
e finura de sólidos em suspensão.
Em relação às características do meio poroso, destacam-se o teor e tipo de
matéria orgânica, a distribuição granulométrica, a mineralogia e teor de finos,
distribuição de vazios, capacidade de troca catiônica, permeabilidade e o grau
de saturação. Já as condições ambientais são fatores como as condições cli-
matológicas, hidrogeológicas, aeróbias/anaeróbias, micro-organismos, tempe-
ratura, pressão, potencial redox e tempo que também influenciam os mecanis-
mos de transporte.(MARQUES,2012)
Os mecanismos fundamentais de transporte de poluentes em solos são classifi-
cados em físicos, químicos e biológicos e serão descritos em seguida. Na Figu-
ra é apresentado um esquema ilustrativo dos mecanismos de migração de
substâncias contaminantes através de meios porosos.
Figura 6.13: Mecanismos associados à migração de contaminantes
Fonte: Moncada (2004)
6.4.1. Processos Físicos
Os principais processos físicos que influem no transporte de soluções miscíveis
em meios porosos saturados são a advecção e a dispersão hidrodinâmica, re-
sultado da dispersão mecânica e difusão molecular. Tais processos ocorrem si-
multaneamente e somente em poucos casos se verifica o predomínio da difu-
são molecular. (BASSO, 2004)
6.4.1.1. Advecção
A advecção é definida como o transporte de matéria em solução ou suspensão
com o movimento do fluido. O escoamento ocorre em razão da força de gravi-
dade, sendo retardado pela viscosidade e pelo atrito de contato entre o fluido e
os sedimentos associados (DOMENICO e SCHWARTZ,1998). Neste mecanis-
35
36
mo não ocorre alteração na concentração da solução e a taxa de transporte do
soluto está diretamente relacionada com a velocidade da água no meio poroso
(SHACKELFORD,1993).
A equação que modela este tipo de transporte é a equação diferencial do trans-
porte por advecção.
(19)
(20)
Onde:
C = concentração do soluto;
nx = velocidade de percolação ;
k = coeficiente de condutividade hidráulica;
n= porosidade;
i= gradiente hidráulico.
Figura 6.14: Representação conceitual do transporte de contaminante por ad-
vecção
Fonte: Machado (2010)
6.4.1.2. Dispersão Hidrodinâmica
Segundo Freeze e Cherry (1979), o fenômeno da dispersão hidrodinâmica se-
ria tendência ao espalhamento do soluto nos caminhos pelos quais ele percor-
re. O resultado do espalhamento implica a ocupação maior do volume do con-
taminante comparado a quando ocorre apenas o fenômeno de advecção. Nes-
te caso a concentração diminui, ao passo que a frente de contaminação tem
sua velocidade aumentada. Na Dispersão Hidrodinâmica, contaminante assu-
me diversas direções independentemente do fluxo da solvente.
Figura 6.15: Representação conceitual do transporte de contaminante por dis-
persão
Fonte: Machado (2010)
A Dispersão Hidrodinâmica pode ocorrer por dois motivos: pela diferença de
concentração do soluto (Difusão Molecular) ou em função da variação da velo-
cidade de percolação ao passar em poros e canais (Dispersão Mecânica). A
dispersão mecânica (Dm) e o coeficiente de difusão molecular (D*) represen-
tam a equação do coeficiente de dispersão hidrodinâmica (Dh):
(21)
37
38
DIFUSÃO MOLECULAR
A difusão molecular é o processo no qual os constituintes iônicos e moleculares
se movem sob a influência da energia cinética na direção do gradiente de con-
centração. Uma vez estabelecido o gradiente, as moléculas e íons tendem a se
deslocar das regiões de maior concentração para as de menor, visando o equi-
líbrio de acordo com a figura 5. O transporte difusivo ocorre mesmo na ausên-
cia de fluxo hidráulico. (Freeze e Cherry, 1979).
A difusão do soluto é proporcional ao gradiente de concentração e pode ser ex-
pressa pela Lei de Fick:
(22)
Onde:
Jd é o Fluxo de massa por difusão de soluto por unidade de área e por unidade
de tempo;
Do = Coeficiente de difusão molecular em solução;
C = Concentração do soluto;
∂C/∂x = Gradiente de concentração
Nos meios porosos, devido à tortuosidade das trajetórias de fluxo, a difusão é
menor que em uma solução livre, sendo necessário usar o coeficiente de difu-
são molecular efetiva, D*:
(23)
Onde:
w =coeficiente de tortuosidade expresso por:
(24)
Onde:
L é a distância macroscópica em linha reta entre dois pontos da trajetória de
fluxo;
Le é a distância efetiva ou microscópica através dos poros do solo entre estes
mesmos dois pontos.
Para difusão em materiais porosos saturados, utiliza-se a forma modificada da
Primeira Lei de Fick descrita por SHACKELFORD (1993) que, já considerando
o coeficiente de difusão molecular efetiva, é dada por:
(25)
Onde n é a porosidade do meio poroso
DISPERSÃO
A dispersão em canais individuais, o desenvolvimento de velocidades médias
diferentes em canais diferentes, decorrentes das variações das dimensões dos
poros ao longo das linhas de fluxo e o desvio da trajetória das partículas em
decorrência da tortuosidade, reentrâncias e interligações entre os canais impli-
ca uma mistura mecânica da solução. (BEAR, 1972) Esta mistura mecânica
causa um espalhamento do poluente Os três fenômenos descritos anteriormen-
te são ilustrados na Figura
Figura 6.16: Mecanismos de dispersão ou mistura mecânica, a) Mecanismos
de dispersão ou mistura mecânica, b) dispersão em canais individuais, c) tor-
tuosidade, reentrâncias e interligações
Fonte: Moncada (2004)
39
40
Estes três fenômenos fazem com que o soluto seja transportado tanto na dire-
ção do fluxo do fluido, o qual será chamado de dispersão longitudinal, quanto
na direção perpendicular ao fluxo, denominado de dispersão transversal. Estes
fenômenos estão relacionados com dois coeficientes:
(26)
Onde
αL e αT são os coeficientes de dispersividade longitudinal e transversal, res-
pectivamente
vx é a velocidade linear média.
O fluxo unidimensional de massa de uma dada espécie química pelo mecanis-
mo de dispersão mecânica é descrito por SHACKELFORD (1993) na equação:
(27)
Onde:
JM é o fluxo de dispersão mecânica;
Dm é o coeficiente de dispersãomecânica função da velocidade de linear média
v.
n é a porosidade
INFLUÊNCIA DE CADA PROCESSO NA DISPERSÃO HIDRODINÂMICA
O Número de Peclet (Pe) é utilizado para identificar a componente de maior in-
fluência. Valores de Pe inferiores ou iguais a 1 indicam influência dominante do
processo de difusão, e valores acima ou iguais a 50 indicam predomínio da ad-
vecção (SHACKELFORD, 1994).
(28)
Onde:
Pe = número de Peclet ;
L = comprimento da coluna de solo ;
Dh = coeficiente de dispersão hidrodinâmica;
νs = velocidade linear média da água subterrânea .
6.4.2. Processos Bio-físico-químicos
Estes processos envolvem interações bio-físico-químicas que podem retardar
ou acelerar a migração de um elemento químico pelo meio poroso ou em al-
guns casos implicar a degradação ou o decaimento de efeitos nocivos do mes-
mo ao longo do tempo. Estes processos dependem da constituição química do
soluto, ou seja, se são reativos ou não, orgânicos ou inorgânicos, dos seus
constituintes, das características do solo e do pH do sistema.
6.4.2.1. Retardamento ou Aceleração
ADSORSÃO / DESSORÇÃO
A adsorção é um dos processos mais importantes da qualidade da água, sendo
utilizado tradicionalmente no tratamento de água de abastecimento, e atual-
mente, também na recuperação de águas contaminadas. A adsorção é um pro-
cesso físico-químico no qual uma substância é acumulada numa interface entre
fases. Quando substâncias contidas em um líquido se acumulam numa interfa-
ce sólido-líquido, denomina-se adsorvato, a substância que está sendo removi-
da da fase líquida e adsorvente, a fase sólida na qual a acumulação ocorre
(Boscov, 1997).
De maneira geral, a primeira camada da substância é adsorvida por troca iôni -
ca, e as demais são atraídas por forças de Van der Waals (Yong et al.,1992). A
atração para a superfície devida às forças de Van der Waals são relativamente
fracas e chamadas de adsorção física.
41
42
Na adsorção química, as ligações entre o sorvido e o sorvente são do tipo co-
valente, fortes, e acabam incorporando o soluto à superfície das partículas do
solo. Muitos solos e sedimentos possuem superfícies carregadas negativamen-
te e a solução íons carregados positivamente (ex: cátions de metais pesados)
que, por meio da adsorção, produzem a troca de íons e a retenção no solo, que
está relacionada à propriedade do solo denominada de capacidade de troca ca-
tiônica - CTC. Para esse tipo de adsorção, as moléculas adsorvidas não se mo-
vem livremente sobre a superfície do sólido, não sendo um processo facilmente
reversível, mas o soluto poderá ser removido com o aumento da temperatura.
(Marques, 2012)
A adsorção é o principal mecanismo de retenção de metais em solução, en-
quanto que é apenas um dos mecanismos de retenção de substâncias orgâni-
cas (LaGrega et al., 1994).
SORÇÃO HIDROFÓBICA
A sorção hidrofóbica é um mecanismo típico de retenção de substâncias orgâ-
nicas (especialmente compostos orgânicos apolares) na matéria orgânica do
solo. É caracterizada pelo processo de partição, i.e., distribuição da substância
entre duas fases (no caso, a solução e a matéria orgânica do solo) por dissolu-
ção exclusivamente (Yong et al., 1992; Hasset & Banwart, 1989; LaGrega et
al., 1994; Yiacoumi & Tien, 1994; Chiou et al., 1979 apud Mocada, 2004).
Quanto menos solúvel em água for o composto, maior a tendência a serem sor-
vidos na matéria orgânica. Os compostos orgânicos não polares, por terem
mais afinidade com um solvente orgânico, passam da fase aquosa para a fase
orgânica. Quanto menos polar for o composto, maior será a sua tendência a
ser particionado na fase orgânica, também chamada de fase hidrofóbica.
(BOYD et al., 1989; apud MONCADA, 2004).
FILTRAÇÃO
Além de substâncias dissolvidas, a água subterrânea contaminada muitas ve-
zes contém partículas em suspensão, que podem ser o próprio poluente, como
bactérias ou pó pouco solúvel, ou conter substâncias poluentes sorvidas, como
no caso de metais ou compostos orgânicos sorvidos em grãos de argila ou ma-
téria orgânica coloidal (Domenico & Schwartz, 1991 apud Moncada, 2004).
Quando a água, ao se infiltrar no solo, já contém partículas em suspensão, par-
te do material suspenso fica retido na superfície, pois as partículas maiores que
a abertura dos poros não conseguem penetrar no solo (Domenico & Schwartz,
1990). Forma-se, assim, uma membrana de alta resistividade, que dificulta tan-
to a percolação quanto a entrada de partículas finas no solo (Kovács, 1981).
Este fenômeno está esquematizado na figura 6.4a. As partículas que conse-
guem penetrar transportadas pela água infiltrante podem ser retidas ao longo
da trajetória de fluxo no interior do meio poroso, como está ilustrado na Figura.
(Moncada, 2004)
Figura 6.17: Efeitos de filtração ou processos que limitam a migração de partí-
culas, a) formação de membrana superficial, b) retenção no interior da malha
de poros
Fonte: Moncada (2004)
43
44
6.4.2.2. Efeitos de Degradação ou Decaimento
VOLATILIZAÇÃO
A volatilização é um processo de difusão pelo qual uma substância passa da
sua fase líquida ou sólida para a gasosa, onde sua concentração é inicialmente
baixa. Entretanto, ao contrário da difusão em uma única fase, onde a concen-
tração tende a se uniformizar ao longo de toda a fase, no solo, que consiste de,
pelo menos, três fases (sólida, líquida e gasosa), o equilíbrio é usualmente al-
cançado a concentrações diferentes em cada fase. (Moncada, 2004)
A transferência de massa do estado líquido ou sólido para a fase gasosa é de-
terminada pela pressão de vapor, que é uma propriedade individual de cada
composto químico, dependente da temperatura e está relacionada com as for-
ças coesivas entre as suas moléculas. (Marques, 2012)
HIDRÓLISE
Segundo Moncada (2004), a hidrólise é definida como a reação da substância
com moléculas de água. É frequentemente descrita como sendo uma troca de
um grupo aniônico X da substância por uma hidroxila (OH–), resultando na de-
composição da substância. Para a maioria da substância a hidrólise tem um
efeito insignificante. Esta reação é representada da seguinte maneira:
(29)
OXIDAÇÃO / REDUÇÃO
Fenômenos de oxidação e redução são reações químicas nas quais as molécu-
las envolvidas mudam de valência dos elementos envolvidos através de ganho
ou perda de elétrons. A perda de elétrons implica a oxidação da molécula e o
ganho de elétrons caracteriza a redução.
No meio ambiente, tais reações podem ser controladas por microrganismos
que não participam da reação, mas agem como catalisadores. Estes microrga-
nismos obtêm energia através da oxidação de compostos orgânicos, hidrogênio
ou formas reduzidas inorgânicas de ferro, nitrogênio e enxofre. Para que estas
reações ocorram, são necessários receptadores de elétrons, que em condições
aeróbias, pode ser o oxigênio, enquanto que, em condições anaeróbias, são ni-
tratos, sulfatos e dióxido de carbono (Fetter, 1993; Freeze & Cherry, 1979 apud
Moncada,2004).
METABOLIZAÇÃO
A metabolização decorre da degradação biológica (ou biodegradação), que
consiste na transformação de moléculas orgânicas em outras menores, como
consequência da atividade metabólica de microrganismos presentes no solo. A
energia necessária para o seu metabolismo é suprida pela degradação de
substâncias ricas em energia, transformando-as em metabólitos de menor
energia e, por fim, em CO2 e H2O (Matthess, 1994 apud Moncada, 2004).
DECAIMENTO RADIOATIVO
Segundo Basso (2003), o decaimento radioativo é decorrente de um processo
espontâneo que ocorre em alguns isótopos de elementos (radioativos) resultan-
do na liberação de energia e formação de outros isótopos, causando a diminui-
ção da concentração do primeiro no solo.
45
46
6.4.3. Métodos para Determinar Parâmetros de Transporte de
Soluto
ENSAIOS DE EQUILÍBRIO EM LOTE OU DE BATELADA
Os ensaios de equilíbrio em lote possuem a finalidade de analisar o comporta-
mento sorcivo dos solos em relação às soluções contaminantes inorgânicas,
quantificado através de estimativa dos parâmetros de retenção dos íons envol-
vidos (LEITE, 2001).
Shackelford e Daniel (1991) enfatizam que os resultados desses ensaios po-
dem, às vezes, superestimar a capacidade sorciva do solo quando aplicados a
situações reais. Esse fato decorre de que nesse ensaio a solução contaminante
entra em contato com partículas bem mais dispersivas de solo do que na maio-
ria das situações reais, aumentando-se assim a superfície de contato e ele-
vando-se a capacidade sorciva.
Rowe et al. (2004) admitem como razoável utilizar esses parâmetros para fins
de simulações do transporte de contaminantes em solos, em função da pratici-
dade, precisão e repetibilidade dos ensaios.
Utilizando os ensaios de equilíbrio em lote é possível determinar os parâmetros
Rd e Kd.
ENSAIOS DE COLUNA
Este ensaio consiste em percolar a solução do contaminante, através de uma
coluna cilíndrica preenchida com solo indeformado ou solo compactado. O eflu-
ente é recolhido periodicamente para a determinação da sua concentração.
Neste método, considera-se um ensaio de advecção, mantendo a concentra-
ção da fonte constante, com baixa velocidade de percolação de forma a des-
considerar a dispersão mecânica e fazer com que o coeficiente de dispersão hi-
drodinâmica Dh possa ser considerada igual a D (SHACKELFORD, 1991).
Os resultados dos ensaios são apresentados em forma de gráficos denomina-
dos curvas de chegada (breakthrough curve). A curva de chegada ilustra os
mecanismos de transporte de contaminantes predominantes e o processo de
atenuação do contaminante pelo solo. Os gráficos são apresentados por con-
centração relativa C/C0 (concentração no reservatório de coleta/concentração
inicial) versus número de volumes de poros percolados (Tp) ou tempo (t). (AL-
MEIDA, 2015)
Utilizando os ensaios de coluna é possível a obtenção dos parâmetros de
transporte que governam a migração de contaminantes no solo (Dh, Rd, entre
outros); avaliação dos efeitos de reações químicas e biológicas e modelar ou
validar os modelos que definem a migração de contaminantes.
Os ensaios de batelada e de coluna serão escopo da metodologia deste traba-
lho por isso o tema será aprofundado no capítulo 8.
6.4.4. Soluções Analíticas para Migração de Contaminantes
Van Genutchen (1981) define a equação diferencial parcial que descreve o
transporte químico unidimensional sob condições transitórias de fluxo de fluido
é tomada como:
(30)
Onde:
c é a concentração da solução
s é a concentração adsorvida
θ é a umidade volumétrica
D é o coeficiente de dispersão
q é a velocidade do fluxo
ρ é a densidade do meio poroso seco
t é o tempo
uw e us são constantes de decaimento das fases líquidas e sólidas respectiva-
mente
γw e γs são constantes de produção das fases líquidas e sólidas respectiva-
mente
47
48
Neste estudo, o autor considera apenas o transporte de um único equilíbrio ió-
nico e a isoterma geral de adsorção é descrita por uma equação linear (ou line-
arizada) da forma:
(31)
Van Genutchen (1981) estabelece que quando o teor de umidade volumétrica e
o fluxo volumétrico permanecem constantes no tempo e no espaço (fluxo de
estado estacionário), a equação de transporte é:
(32)
Onde v é a velocidade intersticial ou velocidade da água nos poros
Nesta mesma obra Van Genutchen (1981) apresenta diversas soluções analíti-
cas considerando diversas condições de contorno e iniciais além de considerar
colunas finitas e semi-finitas.
6.5. BACIAS DE CONTENÇÃO NA INDÚSTRIA DE PETRÓLEO
Apesar de não existir uma legislação federal específica, a Associação Brasileira
de Normas Técnicas (ABNT) elaborou um conjunto de instrumentos normativos
que define os critérios de construção e impermeabilização de bacias e diques
de contenção em áreas de armazenamento de líquidos inflamáveis. Dentre
esse conjunto de normas, a NBR 17505-2 apresenta os critérios construtivos
dos diques e bacias de contenção para o controle de derramamentos de tan-
que de superfície. (AMORIM JR,2007)
As bacias de contenção, nas quais os tanques de armazenamento de líquidos
inflamáveis ou combustíveis estão inseridos, devem ter capacidade volumétrica
no mínimo igual à capacidade do maior tanque armazenado, de acordo com o
item 5.2.3.2 da NBR 17505-2, sendo que a altura máxima do dique, medida
pela parte interna da bacia, deve ser de 3 m. Em relação à impermeabilização
das bacias de contenção, esse item da NBR 17505-2, de forma análoga a NBR
7505-1, ainda especifica que as paredes internas dos diques e os pisos das ba-
cias de contenção de tanques estacionários de produtos devem ter coeficiente
de permeabilidade máximo de 10-6 cm/s referenciado à água a 20ºC. Nos ca-
sos em que as bacias de contenção possuam canaletas de drenagem em con-
creto armado com área de escoamento mínimo de 900 cm2 em torno dos tan-
ques. será admitida a permeabilidade 10-4 cm/s, referenciado à água. (AMO-
RIM JR,2007)
Ressalta-se que os valores do coeficiente de permeabilidade do solo das baci-
as de contenção recomendado pela norma, assim como na NBR 7505-1, são
referenciados à água a 20°C e não aos produtos armazenados nos tanques. A
NBR 17505-2 recomenda que as bacias e dique de contenção sejam projeta-
dos para serem estanques, com materiais de impermeabilização como terra,
concreto, aço ou alvenaria sólida.(AMORIM JR,2007)
49
50
6.6. ÁGUA DE PRODUÇÃO DE PETRÓLEO
6.6.1. Principais Componentes
A constituição da água de produção trata-se de uma mistura complexa de com-
postos químicos orgânicos e inorgânicos naturalmente ocorrentes que foram
dissolvidos ou dispersados na forma de particulados das formações geológicas
e rotas de migração onde esse efluente esteve represado por milhares de anos
(Neff et al, 2011a). Suas propriedades físicas e químicas podem variar bastan-
te, de acordo com a idade geológica, profundidade, características geoquími-
cas e localização da formação rochosa, assim como da composição química
das fases de óleo e gás no reservatório e processos adicionados durante a pro-
dução (OGP, 2005; Hosseini et al, 2012).
Os compostos orgânicos são os mais abundantes na água produzida e os que
conferem maior preocupação sobre o ponto de vista ambiental em relação ao
seu descarte. Dentre os principais compostos orgânicos presentes na água de
produção representam a sua maioria, hidrocarbonetos de petróleo, ácidos car-
boxílicos e fenóis (Neff et al, 2011a).
A maior parcela dos constituintes orgânicos totais da água de produção é re-
presentada por ácidos carboxílicos ou ácidos orgânicos. Tratam-se de substân-
cias orgânicas voláteis (Gabardo, 2007) formadas a partir da hidropirólise ou
degradação de moléculas de hidrocarbonetos e os que se encontram presentes
na composição da água produzida são de baixo peso molecular, isto é, possu-
em cadeias curtas e poucas moléculas de carbono, sendo os mais abundantes
o ácido acético e fórmico (Neff et al, 2011a).
Os hidrocarbonetos de petróleo, compostos químicos orgânicos constituídos
apenas de hidrogênio e carbono, são os que merecem maior preocupação
quando presentes na água produzida (Elkins et al, 2005). Neste efluente, os hi-
drocarbonetos de petróleo podem aparecer tanto na forma dissolvida, quanto
na forma dispersa (gotículas de óleo) e são divididos em dois grupos: hidrocar-
bonetos aromáticos e hidrocarbonetos saturados. Sua solubilidade na água de-
cresce conforme aumenta seu peso molecular e de maneira geral, compostos
aromáticos são mais solúveis do que compostos saturados de mesmo peso
molecular (Neff et al, 2011a).
Ainda que se utilize separadores de água e óleo para remoção de gotículas de
óleo da água, este processo não é eficiente para a retirada de hidrocarbonetos
dissolvidos, ácidos orgânicos, fenóis e metais
Os hidrocarbonetos mais comuns na água de produção são os aromáticos, os
quais tratam-se de uma classe de compostos cíclicos insaturados com uma ca-
deia de carbonos e hidrogênios com diversas características físicas e químicas
específicas. Os três principais grupos de hidrocarbonetos aromáticos são os hi-
drocarbonetos monocíclicos representados pelos compostos BTEX (benzeno,
tolueno, etilbenzeno e xileno), os quais apresentam maiores concentrações na
água produzida, compostos de três a seis anéis, também conhecidos como
NFD (naftenos, fenantrenos e dibenzotiofenos) e os compostos policíclicos aro-
máticos (HPA) (Gabardo, 2007) que incluem diversas substâncias, sendo 16 os
HPAs prioritários segundo definição da Agência de Proteção Ambiental Ameri-
cana (US-EPA – Environmental Protection Agency).
Os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs) são definidos como aqueles
que apresentam dois ou mais anéis aromáticos fusionados e tratam-se dos
compostos que conferem maior toxicidade à água produzida, causando maio-
res preocupações do ponto de vista ambiental, inclusive devido à sua persis-
tência no ambiente marinho. A concentração média de HPAs na água de pro-
dução varia de 0,04 mg/L a 3 mg/L, sendo os compostos mais comuns, aqueles
de baixo peso molecular de dois ou três anéis, os NFDs (naftalenos, fenantre-
nos, dibenzotiofenos e seus homólogos alquilados) (Neff et al, 2011a).
Na água produzida sem tratamento, gotículas de óleo ainda estão presentes no
efluente em questão e, portanto, há presença de hidrocarbonetos aromáticos
de alto peso molecular, na sua forma dispersa. Estes têm alto potencial de toxi -
cidade e danos aos organismos, representando graves riscos ao meio ambien-
te (Neff et al, 2011a).
51
52
Figura 6.18: Faixa de Parâmetros físico-químicos de água produzidas em cam-
pos de óleo
Fonte: Siilva (2013)
6.6.2. 1.1.1 Outros Compostos
Uma grande variedade de aditivos químicos está disponível para uso nos siste-
mas de produção de óleo e gás e podem consequentemente ser adicionados à
água produzida. Estes produtos químicos são utilizados para auxiliar na recu-
peração e bombeamento de hidrocarbonetos, proteger o sistema de corrosão,
facilitar a separação do óleo, gás e água e prevenir a formação de hidrato de
metano (gelo) no sistema de produção, danificando-o. Dentre os aditivos utiliza-
dos incluem-se inibidores, desemulsificadores e químicos tratadores de gás (Fi-
gueredo, 2010; Fakhru’l-Razi et al, 2009).
Muitos desses compostos são solúveis em óleo e permanecem junto a este du-
rante o tratamento da água de produção. Já outros, por serem solúveis em
água, são descartados juntamente a mesma, entretanto correspondem à mino-
ria, uma vez que baixas concentrações destes compostos são encontradas na
água produzida (Bakke et al, 2013). Vale ressaltar que o uso de aditivos quími-
cos está relacionado à solução de problemas, conforme eles aparecem.
6.6.3. Regulação
6.6.3.1. Offshore
O único parâmetro de poluente regulado especificamente para a água de pro-
dução o teor de óleos e graxas (TOG). A Resolução CONAMA 393/2007 deter-
mina que os descartes de água produzida na região oceânica devem obedecer
a um limite diário para o teor de óleos e graxas (TOG) de 42 mg/L e uma con-
centração média mensal de 29 mg/L, calculada através de uma média aritméti-
ca simples, com base nos valores diários de TOG para os descartes realizados.
Caso haja descarte de água produzida com valores de TOG acima do limite
máximo diário estabelecido, deverá haver comunicação imediata ao órgão am-
biental. Já para situações onde a média mensal fique acima de 29 mg/L, deve-
rá ser elaborado um relatório de não conformidade para encaminhamento ao
órgão ambiental com a identificação e justificativa do ocorrido (MMA, 2007).
Destaca-se que, segundo a mesma resolução, os valores de TOG deverão ser
medidos por gravimetria em laboratórios devidamente credenciados. Costuma
ser prática dentre os operadores de óleo e gás realizar análises de TOG na
água de produção através de método espectrofotométrico, mais rápido e sim-
ples que o recomendado na legislação em questão, a bordo das instalações,
previamente aos descartes, para garantir que o parâmetro está de acordo com
o limite máximo de 42 mg/L. Trata-se de um procedimento de segurança, uma
vez que os resultados das análises pelo método gravimétrico só serão recebi-
das após a realização do descarte, permitindo que o efluente recircule pelo sis-
tema de tratamento, caso o TOG esteja acima do permitido pela Resolução
CONAMA 393/2007. Por se tratarem de metodologias distintas, é provável que
os resultados encontrados sejam diferentes (Neff et al, 2011a), no entanto só
serão aceitos pelo órgão ambiental os resultados das análises gravimétricas.
53
54
Determina-se ainda através do artigo 10 da resolução em questão, o monitora-
mento semestral da água produzida tratada a ser descartada pelas platafor-
mas, com análise dos seguintes parâmetros, além do TOG (MMA, 2007):
- Compostos inorgânicos: arsênio, bário, cádmio, cromo, cobre, ferro, mercúrio,
manganês, níquel, chumbo, vanádio, zinco;
- Radioisótopos: Rádio-226 e Rádio-228;
- Compostos orgânicos: hidrocarbonetos policíclicos aromáticos - HPA, benze-
no, tolueno, etilbenzeno e xilenos - BTEX, fenóis e avaliação de hidrocarbone-
tos totais de petróleo - HTP através de perfil cromatográfico;
- Toxicidade crônica da água produzida determinada através de método ecoto-
xicológico padronizado com organismos marinhos;
- Parâmetros complementares: carbono orgânico total - COT, pH, salinidade,
temperatura e nitrogênio amoniacal total.
6.6.3.2. Onshore
No caso das atividades onshore, as quais não são abrangidas pela Resolução
CONAMA 393/2007, fica a critério dos estados responsáveis pelo processo de
licenciamento ambiental, nesses casos a definição das condições de qualidade
da água produzida para o descarte, em conformidade com as características lo-
cais e considerando a maior sensibilidade dos corpos hídricos em questão.
Cabe também a estes conduzir a fixação dos procedimentos para gerencia-
mento da água produzida, uma vez que na maior parte dos casos, o descarte
não será a melhor opção, tendo em vista as dificuldades e o maior rigor neces-
sário para evitar a degradação dos corpos d’água, solo e aquíferos subterrâ-
neos (Nascimento, 2009). Estes processos vêm sendo definidos caso a caso,
não havendo em nenhum dos estados produtores terrestres do Brasil, uma re-
gulação específica acerca do tema.
Sobre os níveis de concentração de contaminantes na água de produção para
descarte, a IFC (2007b) determina os limites máximos segundo a tabela a se-
guir:
Tabela 6.5 - Níveis Aceitáveis para Emissões, Efluentes e Resíduos provenien-
tes da Extração Onshore de Petróleo e Gas
Fonte: IFC (2007)
55
56
7. METODOLOGIA DE PESQUISA
7.1. ESTRATÉGIA DE PESQUISA
Visando atingir os objetivos propostos neste projeto foi adotada a estratégia:
pesquisa experimental.
A pesquisa experimental visa entender de que modo ou porque o fenômeno é
produzido, além de manipular de forma direta as variáveis relacionadas com os
objetos de estudo. A manipulação na quantidade e qualidade das variáveis pro-
porciona o estudo da relação entre causas e efeitos de um determinado fenô-
meno, podendo-se controlar e avaliar os resultados dessas relações.
Para atingir os resultados se faz uso de aparelhos, de instrumentos e de proce-
dimentos apropriados e capazes de tornar perceptíveis as relações existentes
entre as variáveis envolvidas no objeto de estudo.
A pesquisa experimental consiste em determinar um objeto de estudo, selecio-
nar as variáveis que seriam capazes de influenciá-lo, definir as formas de con-
trole e de observação dos efeitos que a variável produz no objeto.
7.2. DELINEAMENTO DA PESQUISA
O delineamento da pesquisa é apresentado na Figura 7.1. O presente trabalho
é composto de quatro etapas: (a) revisão bibliográfica (Etapa 1); (b) desenvolvi -
mento experimental (Etapa 2); (c) análise dos resultados (Etapa 3); e (d) con-
clusões e recomendações (Etapa 4).
Figura 7.1: Delineamento da pesquisa
Fonte: O autor
Na primeira etapa foi realizada uma revisão bibliográfica dos conceitos envolvi-
dos na pesquisa para o embasamento teórico do trabalho, entre eles: definição
de bacias de contenção de fluidos inflamáveis, características da água de pro-
dução de petróleo, propriedades hidráulicas em solos não saturados, proprie-
dades hidráulicas em solos saturados e transporte de solutos no meio poroso.
A segunda etapa está relacionada ao desenvolvimento experimental dividido
nas seguintes subetapas: coleta de amostras de solo em campo; caracteriza-
ção das amostras; caracterização dos fluidos utilizados; descrição dos equipa-
mentos utilizados; desenvolvimento de aparelho para realização dos ensaios
de coluna; compactação dos corpos de prova; montagem e execução dos en-
saios de coluna com utilizado a água de produção; realização dos ensaios
complementares.
Na terceira etapa, serão apresentados os resultados obtidos a partir do traba-
lho realizado. Esses resultados serão discutidos de maneira qualitativa e quan-
57
58
titativa considerando as peculiaridades entre as amostras de solo, os tipos de
fluidos ensaiados e os métodos de ensaios, para o caso da determinação das
curvas de retenção e de condutividade
Na quarta e última etapa serão apresentadas as conclusões alcançadas no es-
tudo e recomendações previstas para projetos futuros.
7.3. DETALHAMENTO DO DESENVOLVIMENTOEXPERIMENTAL
Para o cumprimento do objetivo principal proposto nesse trabalho a etapa de
desenvolvimento experimental será dividida nas seguintes etapas conforme
apresenta a Figura 7.2. A descrição de cada etapa será apresentada mais de-
talhadamente no Capítulo 8.
Figura 7.2: Etapas do Desenvolvimento Experimental
Fonte: O Autor
8. DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL
8.1. SOLOS UTILIZADOS
As amostras de solo utilizadas neste trabalho foram coletadas em áreas de ex-
ploração de petróleo “onshore” e armazenamento, denominadas de Área 2 e
área de empréstimo vizinha a Área 4, onde foram coletadas amostras de solo
denominado localmente como piçarra.
A área denominada Área 2 está localizada nas imediações da faixa de dutos
que transporta grande parte da produção de petróleo da PETROBRAS/UO-
RNCE para a UTPF (Unidade de Tratamento e Processamento de Fluidos).
Essa área, localizada no Município de Macau, constitui-se de um local com
pouca cobertura vegetal, onde a coleta de amostras indeformadas se apresen-
tou bastante dificultada pela baixa espessura do solo residual. Diante desta si-
tuação e considerando a aparente característica argilosa daquele solo, surgiu a
possibilidade de se aproveitar esta região como jazida de solo para construção
de bacias de contenção.
Figura 8.1 - Foto ilustrativa da área 2
Fonte Google-earth
Primeiramente, foram coletadas amostras do solo na área próxima ao duto.
Nesta área, escavando-se o solo cerca de 30 cm atingia-se a rocha, tornando
impossíveis avanços posteriores. Desta maneira, o solo foi retirado desta ca-
59
60
mada de 30 cm, sendo, para fins de registro interno, denominado de Solo Ver-
melho.
Figura 8.2: Solo coletado ao redor do oleoduto
Fonte:
Após a coleta das amostras de Solo Vermelho, foram coletadas amostras de-
formadas nas margens de um rio intermitente que cruza o duto em local próxi -
mo, conforme ilustrado na sequência. Para fins de controle interno, este solo foi
denominado de solo de várzea. A identificação tátil e visual do solo de várzea
indicava que o mesmo possuía um caráter. Este solo cuja aparência é de solo
ainda mais argiloso que o Solo Vermelho (alta resistência dos torrões secos,
ocorrência de muitas trincas de retração, etc).
Figura 8.3 - Aspecto do solo argiloso encontrado na margem de rio que cruza o
oleoduto
Fonte:
A área 4 está localizada no campo de petróleo de Estreito (ET), no Rio Grande
do Norte, e apresenta a presença de distintas camadas de solo sedimentar.
Neste local se encontra uma área de empréstimo que serve de jazida de Solo
Piçarra, o qual é utilizado na construção das bases dos poços de produção. A
localização da área 4 está apresentada na Figura 8.4 e a vista do local de onde
foram retiradas as amostras está apresentada na Figura 8.5.
Figura 8.4 - Foto ilustrativa de área de empréstimo localizada próxima a área 4
Fonte: Google-earth
Figura 8.5 -Foto ilustrativa de vista da área de empréstimo localizada próxima a
área 4.
Fonte:
Na visita de campo, foram coletadas nesta área, amostras deformadas de pi-
çarra oriunda da área de empréstimo de ET que serão submetidas à compacta-
ção. A Figura 8.6 apresenta o aspecto das amostras do solo piçarra coletado.
61
62
Figura 8.6 - Foto de Solo Piçarra Coletado
Fonte:
Para possibilitar o conhecimento dos solos utilizados no estudo de migração de
contaminantes em solos compactados, foram realizados os seguintes ensaios
de laboratório: caracterização física do solo, de mineralogia, físico-química e
microbiana.
8.1.1. Caracterização Física do Solo
Os ensaios de caracterização física do solo foram realizados com o objetivo de
determinar a distribuição granulométrica, o peso específico das partículas sóli-
das e os limites de consistência, permitindo a caracterização dos solos confor-
me o SUCS (Sistema Unificado De Classificação Dos Solos) e a NBR 6502,
além da umidade ótima de compactação (wot) e a massa específica seca máxi-
ma de compactação (ρdmáx). O resumo dos resultados dos ensaios de carac-
terização física se encontram na Tabela 8.1 e na Tabela 8.2.
Tabela 8.1 : Granulometria, Índices de Consistência, Massa Específica dos
Sólidos e Classificação
Descrição
do Solo
Ensaio de Granulometria (%) Índices de Consistênciaρs
Classificação
Ped AG AM AF Sil Arg WL WP IP IA SUCS NBR 6502
Solo Ver-
melho9 12 27 26 10 16 24,9 14,1 10,8 0,675 2,708 SC
Areia argilo-siltosa com pou-
co pedregulho
Solo Vár-
zea1 4 18 28 14 35 47,5 21,6 25,9 0,740 2,728 SC
Areia argilo-siltosa com ves-
tígios de pedregulho
Solo Pi-
çarra47 16 10 9 9 19 33,6 21,6 12,0 0,632 2,786 SC
Pedregulho arenoargiloso
com pouco silte
Fonte: O Autor
Tabela 8.2: Resultados de Ensaios de Compactação
Descrição do SoloEnergia de Compacta-
ção
Umidade Grav.
Ótima (%)ρdmax (g/cm³)
Solo Vermelho Proctor Modificado 8,92 20,03
Solo Várzea Proctor Normal 15,58 16,64
Solo Piçarra
Proctor Normal 15,36 17,80
Proctor Intermediário 14,95 17,84
Proctor Modificado 12,99 18,67
E = 5 kgf.cm/cm³ 15,80 17,64
E = 7 kgf.cm/cm³ 15,40 17,83
E = 9 kgf.cm/cm³ 15,19 18,39
Fonte: O Autor
8.1.1.1. Análise Granulométrica
A análise granulométrica, ou análise da distribuição das dimensões dos grãos,
tem o objetivo determinar os tamanhos dos diâmetros equivalentes das partícu-
las sólidas em conjunto com a proporção de cada fração constituinte do solo
em relação ao peso de solo seco. O ensaio para análise granulométrica foi exe-
cutado conforme a NBR7181(2016) e compreendido por duas etapas: peneira-
mento (areia e pedregulho) e sedimentação (silte e argila). As peneiras utiliza-
das no ensaio estão padronizadas pela ABNT-EB22 (NBR 5734/80).
Os ensaios de granulometria das amostras foram executados pelo Laboratório
de Mecânica dos Solos da Universidade Católica do Salvador. As curvas gra-
63
64
nulométricas obtidas dos solos Vermelho, Várzea e Piçarra são apresentadas
na Figura 8.7.
Figura 8.7 – Curva Granulométrica dos Solo Vermelho, Várzea e Piçarra
Fonte: O autor
8.1.1.2. Massa Específica dos Sólidos
Foram realizados ensaios para determinação da massa específica dos sólidos
(ρs) de acordo com a a NBR 6458 (2016). O método utilizado para esta deter-
minação foi o método do picnômetro utilizando a água com fluido.
8.1.1.3. Limites de Consistência
A determinação dos Limites de Consistência seguiu as normas NBR 6459
(1984) para determinação do limite de liquidez, a norma NBR 7180(1984) para
determinação do limite de plasticidade. A Carta de Plasticidade com a identifi-
cação dos solos está representada na Figura 8.8
Figura 8.8: Carta de Plasticidade dos Solos Vermelho, Várzea e Piçarra
Fonte: O autor
8.1.1.4. Ensaios de Compactação
O ensaio de compactação foi realizado com o objetivo de determinar a umidade
ótima de compactação (wot) e a massa específica seca máxima (ρdmáx) dos
três tipos de solos estudados para a posterior utilização durante a confecção
dos corpos de prova dos ensaios de coluna.
Para a realização do ensaio utilizou-se a norma ABNT - MB33 (NBR7182).
Para o Solo Vermelho foi considerada energia de compactação do Proctor Mo-
dificado; para o Solo Várzea foi considerada a energia de compactação Proctor
Normal e para o Solo piçarra foram realizados ensaios de compactação nas
energias Proctor Normal, Intermediário e Modificado. No caso do Solo piçarra,
tais índices, com os resultados dos ensaios de permeabilidade, serviram de
base para a estimação das energias de compactação que resulta nas condutivi-
dades hidráulicas nas faixas: 10e-4, 10e-5 e 10e-6 cm/s, solicitadas pela Petro-
bras. Este intervalo de variação corresponde à faixa de valores adotados pela
legislação pertinente como especificação para a confecção de camadas de pro-
teção mineral.
65
66
ENSAIOS DE PERMEABILIDADE SOLO PIÇARRA
Conforme mencionado anteriormente, foram realizados ensaios de permeabili-
dade em corpos de prova do Solo Piçarra, compactados nas energias Proctor
Normal, Proctor Intermediário e Proctor Modificado. O procedimento deste en-
saio será detalhado em capítulo posterior, junto aos demais ensaios de perme-
abilidade. Foram utilizados cinco corpos de prova (2 compactados na energia
Proctor normal, 2 na energia Proctor intermediário e 1 na energia Proctor modi-
ficado).
NOVOS ENSAIOS DE COMPACTAÇÃO SOLO PIÇARRA
Em posse dos resultados de permeabilidade, foi utilizada a regressão linear
com base nestes cinco pontos para determinar as energias de compactação
que implicariam corpos de prova com os coeficientes de permeabilidade solici-
tados. Foram realizados novos ensaios de compactação com o solo piçarra uti-
lizando as energias 5, 7 e 9 kgf.cm/cm³. Como os resultados do ensaios de
compactação se demostraram muito próximos utilizando as energias supracita-
das, foi estabelecido que a energia de compactação empregada nos corpos de
prova dos ensaios de coluna monitorado seriam: Proctor Normal, E = 9
kgf.cm/cm³ e Proctor Intermediário.
8.1.2. Caracterização Mineralógica dos Solos
A análise mineralógica é fundamental para o entendimento das propriedades
geotécnicas, principalmente na área de migração de contaminantes, já que a
interação do solo com o fluido dependerá do tamanho, da forma, da origem e
das superfícies característica das partículas sólidas. Para caracterizar minera-
logicamente os solos serão realizados os ensaios de Difratometria de Raios-X
(DRX) e Fluorescência de Raios-X (FRX).
8.1.2.1. Difratometria de Raios-X (DRX)
A difratometria de raios-X (DRF) é uma técnica que se baseia na interação de
uma radiação monocromática de raios-X com a amostra em diversos ângulos
de incidência, identificando, caracterizando e quantificando as fases minerais
que compõem o solo. Serão realizados, para cada tipo de solo, três ensaios uti -
lizando esta técnica.
8.1.2.2. Fluorescência de Raios-X (FRX)
A Fluorescência de Raio-X (FRX) é uma técnica de crescente uso na geotecnia
ambiental. O princípio de funcionamento desta técnica está relacionado com a
medida de energia e intensidade características da radiação X emitida por uma
amostra irradiada com radiação eletromagnética de alta carga (TERRA ET AL,
2014). Neste trabalho, as amostras foram caracterizadas utilizando o espectrô-
metro portátil de fluorescência de raios-X. O método deste ensaios consistiu
em colocar as amostras de solos com massa aproximada de 100 g em peque-
nos sacos plásticos e, apoiando esta em uma bancada, acionar o espectrôme-
tro, deixando em contato com o saco durante aproximadamente 15 segundos.
Para cada tipo de solo o procedimento foi repetido dez vezes e os valores mé-
dios das concentrações dos principais elementos estão apresentados na Tabe-
la 8.3 :
Tabela 8.3: FRX - Concentração dos Principais Elementos
Descrição do
Solo
Concentração dos Elementos (%)
Al Si Cl K Ca Ti Fe Co
Solo Vermelho 7,39 33,17 1,57 1,13 0,45 0,35 0,45 0,23
Solo Várzea 8,91 26,97 1,82 3,27 5,26 0,50 0,70 0,37
Solo Piçarra 15,85 25,50 1,19 0,00 0,14 1,22 1,21 0,33
Fonte: O autor
8.1.3. Caracterização Físico-química dos Solos
8.1.3.1. Teor de Matéria Orgânica por identificação dos Sólidos TotaisVoláteis (STV)
A determinação do teor matéria orgânica ocorreu através do método dos Sóli-
dos Totais Voláteis (STV), também conhecido como método da mufla.
O material que pode ser volatilizado e queimado quando inflamado a 500 ±
50°C é classificado como volátil. Em geral, presume-se que sólidos voláteis são
matéria orgânica, apesar de alguns materiais orgânicos não queimarem e al-
67
68
guns sólidos inorgânicos serem consumidos em altas temperaturas. Sólidos fi-
xos (STF) incluem o resíduo que permanece depois da amostra ter sido infla-
mada. A razão entre sólidos voláteis e sólidos fixos é frequentemente utilizada
para caracterizar o efluente no que diz respeito à quantidade de matéria orgâni-
ca presente (TCHOBANOGLOUS, 2010).
Para cada tipo de solo foram retiradas três amostras com massa aproximada
de 70 g. Estas amostras foram colocadas em cadinhos e levadas à estufa a
70°C por dois dias. Após este período, os cadinhos foram calcinadas em mufla
a 600°C por duas horas. A quantidade dos Sólidos Totais Voláteis é dada pela
diferença de massa entre a amostra após secagem em mufla e a massa após
secagem em estufa. Os resultados do ensaio STV são apresentados na tabela:
Tabela 8.4: Quantidade de Sólidos Totais Voláteis
Descrição do Solo Quantidade de Matéria Orgânica (%)
Solo Vermelho 2,00
Solo Várzea 3,93
Solo Piçarra 9,31
Fonte: O autor
8.1.4. Caracterização Microbiana dos Solos
A caracterização microbiana dos solos foi incorporada à metodologia deste tra-
balho em função do comportamento da Curva de Chegada dos ensaios de co-
luna utilizando o solo várzea. Ao avaliar os dados experimentais, se identificou
indícios de decaimento na migração dos contaminantes. O método para carac-
terizar a população e atividade microbiana no solo ainda será definido.
8.2. FLUIDOS
Foram realizados ensaios de caracterização Física, Química e Microbiana dos
fluidos utilizados nos ensaios. Nos primeiros ensaios foi utilizada a água de
produção enviada pela Petrobras. Posteriormente, com o término do fluido dis-
ponível, foi fabricado um fluido similar à água de produção utilizando óleo crú,
água deionizada e cloreto de sódio.
8.2.1. Caracterização Física dos Fluidos
Os ensaios de caracterização física dos fluidos foram realizados com o objetivo
de determinar a viscosidade e a massa específica, propriedades essenciais
para o entendimento da migração de contaminantes em meios porosos.
8.2.1.1. Viscosidade
A viscosidade dos fluidos utilizados nos ensaios serão obtidas através da utili -
zação de um viscosímetro rotacional. Neste equipamento a viscosidade é medi-
da pela velocidade angular de uma parte móvel separada de uma parte fixa
pelo líquido. Neste viscosímetro a parte fixa é a parede do recipiente cilíndrico
onde está o líquido e a parte móvel são paletas com dimensões dependendo
da faixa de viscosidade esperada do fluido ensaiado. Os ensaios foram realiza-
dos em diferentes temperaturas permitindo analisar a influência desta na visco-
sidade dos fluidos.
Tabela 8.5: Viscosidade dos Fluidos
Descrição do FluidoViscosidade a
20°C (cP)
Viscosidade a
30°C (cP)
Viscosidade a
40°C (cP)
Água de Produção PETROBRAS/UO-
RNCE1,36 1,27 1,22
Água de Produção Fabricada no Labora-
tório1,38 1,28 1,20
Fonte: O autor
8.2.1.2. Massa Específica dos Fluidos
A massas específicas dos fluidos utilizados nos experimentos foram determina-
das utilizando uma proveta graduada e uma balança de precisão.
Tabela 8.6: Massa Específica dos Fluidos
Descrição do Fluido Massa Específica a 28°C (g/cm³)
Água de Produção PETROBRAS/UO-RNCE 0,985
Água de Produção Fabricada no Laboratório 0,991
Fonte: O autor
69
70
8.2.2. Caracterização Química dos Fluidos
Os ensaios foram realizados no Laboratório de Estudos do Petróleo (Lepetro)
se obtendo os seguintes parâmetros: concentração de HTP, Condutividade
Elétrica, pH.
8.2.2.1. Concentração de HTP
Para a determinação de hidrocarbonetos em água foi utilizado o método EPA
8015B. Foram analisadas amostras com volume mínimo de 400 cm³ visando
obter resultados acima do limite de detecção do método.
8.2.2.2. Condutividade Elétrica
A condutividade elétrica dos fluidos foi determinada de acordo com Standard
Methods for the Examination of Water and Wastewater, 22st Edition, 2012. Mé-
todo 2510 A/B.
8.2.2.3. Potencial de Hidrogênio (pH)
O potencial de hidrogênio dos fluidos foi determinado de acordo com a norma
4500-H+B.
8.2.3. Caracterização Microbiana dos Fluidos
Semelhantemente aos solos, a caracterização microbiana dos fluidos foi incor-
porada à metodologia deste trabalho em função do comportamento da Curva
de Chegada dos ensaios de coluna utilizando o solo várzea. O método para ca-
racterizar a população e atividade microbiana nos fluidos ainda será definido.
8.3. EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
8.3.1. Sondas TDR
Nos dois primeiros ensaios de coluna monitorada foram utilizadas sondas TDR
(Time Domain Reflectometry) para acompanhar o avanço da frente de umidade
ao longo da infiltração do fluido contaminante. Segundo Cociani et al. (1996), a
técnica de Reflectometria no Domínio do Tempo(TDR) mede a velocidade de
propagação de um pulso eletromagnético, ou tempo que um pulso emitido levar
para retornar ao sisteme após percorrer uma sonda instalada no solo. Esta ve-
locidade está relacionada com a constante dielétrica do meio, que, no caso dos
solos, é função da umidade, da textura, da porosidade e da salinidade.
Neste trabalho, foram utilizadas as sondas TDR do modelo MP306 produzido
pelo fabricante ICT. São sondas compostas por 4 hastes pelas quais os pulsos
percorrem para que sejam gerados os dados de velocidade e relacionados com
a constante dielétrica ou umidade. A precisão e a resolução da sonda para a
leitura de umidade volumétrica são apresentadas na Tabela 8.7 e a foto da
sonda MP306 é exibida na Figura 8.9.
Tabela 8.7: Precisão e Resolução das Sondas TDR MP306
Descrição Precisão Resolução
Umidade Volumétrica
Calibração típica em solos mi-
nerais 0,03 m3/m3 (± 3%) 0.01%
Usando calibração específica
do meio: ± 0,01 (± 1%)
Fonte: ICT (2017)
71
72
Figura 8.9: Sonda TDR MP306
Fonte: ICT (2017)
8.3.1.1. Calibração das Sondas TDR
8.3.2. Sondas FDR
Foram utilizadas sondas FDR (Reflectometria com Domínio da Frequência)
acopladas na coluna de percolação para permitir o monitoramento da umidade
ao decorrer do tempo de ensaio. O modelo das sondas utilizadas foi o 5TE -
Sensor de Umidade, CE e Temperatura do solo, produzidos pela Decagon De-
vices. Segundo a Decagon Devices (2017), todas as três medições (conteúdo
volumétrico de água, temperatura e CE) são realizadas independentemente
com o 5TE. O modelo 5TE possui um formato de garfo com três hastes de pon-
tas finas (dimensões 10 cm x 3,2 cm x 0,7 cm), onde no centro das mesmas
havia um parafuso responsável por emitir frequências em ondas de 70 Mhz, o
que minimiza os efeitos da salinidade e textura, tornando o 5TE preciso na mai-
oria dos solos. O 5TE mede a temperatura com um termistor onboard, e a con-
dutividadde elétrica usando um conjunto de eletrodos de aço inoxidável e o
CVA em solos minerais é calculado utilizando-se a Equação de Topp. A tempe-
ratura e condutividade elétrica são calibrados de fábrica para todos os tipos de
solo. A velocidade de medição da sonda 5TE é de 150ms (milissegundos). A
precisão, a resolução e a amplitude de utilização do equipamento estão descri-
tas na Tabela 8.8 :
Tabela 8.8: Precisão de Sonda 5TE - Sensor de Umidade, CE e Temperatura
do solo
Descrição Precisão Resolução Amplitude
Constante
Dielétrica
(εa)
De 1 – 40: ± 1 εa De 1 – 20: 0,1 εa
1 (ar) a 80 (água)De 40 – 80: ± 15% De 20–80: < 0,75
εa
Umidade
Volumétrica
Típico em solos minerais com CE <
10 dS/m: ± 0,03 m3/m3 (± 3%) De 0 a 50%:
0,0008 m3/m3
(0,08% CVA)
N/AUsando calibração específica do
meio: ± 0,01 - 0,02 m3/m3 (± 1 - 2% )
em qualquer meio poroso
Condutivida-
de Elétrica
(CE)
± 10% de 0 a 7 dS/m, com calibração
do usuário necessária acima de 7
dS/m
De 0 a 7 dS/m:
0,01 dS/m0 - 23 dS/m
De 7 a 23 dS/m:
0,05 dS/m
Temperatura ± 1°C 0,1°C -40 - 50°C
Fonte: Decagon Devices (2017)
As sondas consideram um volume de influência para medição dos parâmetros
ilustrado na Figura 8.10.
Figura 8.10: Volume de Influência na Medição das Sondas 5TE
Fonte: Decagon Devices (2017)
8.3.3. Tensiômetros
Os tensiômetros foram utilizados no Ensaio de Coluna Monitorado junto às son-
das FDR. As sondas utilizadas foram do modelo MPS-6 também da Decagon
73
74
Devices. O MPS-6 é um sensor que oferece leituras de potencial mátrico e tem-
peratura para longos períodos, sem precisar de manutenção, em qualquer pro-
fundidade e sem ser afetado por sais. A amplitude do MPS-6 vai da capacidade
de campo até seco ao ar. (DECAGON DEVICES, 2017). Os sensores MPS-6
são compostos de um sensor de conteúdo de umidade e um substrato poroso
com uma curva de retenção de umidade conhecida. Após o material poroso se
equilibrar com o solo que está ao seu redor, o sensor de umidade mede a umi-
dade do material poroso, e o sensor utiliza a curva de retenção para traduzir
este valor de umidade para potencial hídrico (DECAGON DEVICES, 2017).
Figura 8.11: Sonda MPS-6
Fonte: Decagon Devices (2017)
A velocidade de medição, assim como a sonda 5TE, é de 150ms (milisegun-
dos). A precisão, a resolução e a amplitude de utilização das sondas MPS-6
estão descritas na Tabela 8.9.
Tabela 8.9: Precisão de Sonda MPS-6 – Potencial Hidráulico e Temperatura do
solo
Descrição Precisão Resolução Amplitude
Potencial Hi-
dráulico
(± 10% +2 kPa) de leitura
de -9 kPa à -100 kPa 0,1 kPa -9 à -100.000 kPa
Temperatura ± 1°C 0,1°C -40°C à 60°C
Fonte: Decagon Devices (2017)
8.3.4. Armazenador de Dados Digital
Neste trabalho, para armazenar os dados lidos pelas sondas FDR e TDR foi
utilizado o armazenador de dados digital do modelo EM50. O Em50 é um arma-
zenador de dados (data logger) projetado para alimentar, ler e registrar dados
de até 5 sensores. Todos os sensores da Decagon funcionam com o Em50
sem necessidade de programação. (DECAGON, 2017)
O Em50 tem 5 portas para sensores e uma porta COM. Ao invés de ter uma
tela e um teclado, o Em50 é configurado plugando-se um laptop ou computador
de mão na porta COM. O Software ECH2O Utility (incluso) oferece janelas de
configurações onde você nomeia o armazenador, configure o relógio dele, sele-
ciona o tipo de sensor em cada porta, e especifica a frequência de leituras.
(DECAGON, 2017)
8.3.5. Medidor De Potencial Hídrico Utilizando Ponto De Orvalho –
WP4C
O WP4C Dewpoint Potencia Meter (medidor do ponto de orvalho) é um equipa-
mento utilizado para medir o potencial de água de maneira precisa necessitan-
do de pouco tempo. O princípio de funcionamento deste equipamento está ba-
seado na avaliação da temperatura para a qual o vapor de água presente no ar
passa ao estado líquido (ponto de orvalho) na forma de pequenas gotas por via
da condensação. O ponto de orvalho revela a pressão parcial de vapor de ar
em equilíbrio com a amostra em uma câmara selada de medição.
Através de correlações utilizando a Lei de Kelvin é obtida a sucção total (suc-
ção osmótica somada à sucção matricial) correspondente à umidade relativa.
Para se obter a precisão necessária na detecção do ponto de orvalho das
amostras e medição da respectiva temperatura, o equipamento usa um espelho
com temperatura controlada por um refrigerador termoelétrico (Peltier).
Segundo Rocha et al. (2014), a detecção exata em que a condensação apare-
ce pela primeira vez no espelho é registrada por uma célula fotoelétrica devido
à mudança do feixe de luz na reflexão e a temperatura do ponto de condensa-
ção é registrada por um termoelétrico conectado ao espelho. Ainda segundo
75
76
estes autores, “para reduzir o tempo de equilíbrio o equipamento possui uma
ventoinha para circular o ar dentro da câmara de amostras”. A Figura mostra os
principais componentes do equipamento.
Figura 8.12: Esquema gráfico do WP4C
Fonte: Leong et al. (2003)
O WP4 tem o princípio de funcionamento baseado na lei psicométrica. A lei psi-
cométrica define que a sucção da água do solo em equilíbrio com um ambiente
está relacionada termodinamicamente à umidade relativa do ar neste ambiente,
a partir da Equação a seguir: (Fredlund & Rahardjo, 1993).
(33)
Segundo a Decagon Devices (2017), o equipamento possui a precisão e a am-
plitude descrita na Tabela 8.10.
Tabela 8.10: Precisão e Amplitude do Equipamento WP4C Dewpoint Potencia
Meter
Descrição Precisão Amplitude
Potencial Hidráulico
De 0.5 até -5 MPa: ±0.05
MPa* -0.1 até -300 MPa*
De -5 até -300 MPa: ±1%
*Observação: Amostras mais úmidas do que -0.5 MPa terão aumentos na percentagem de
erro.
Fonte: Decagon Devices (2017)
8.4. ENSAIOS DE COLUNA MONITORADA
8.4.1. Desenvolvimento do Equipamento
O equipamento de percolação utilizado no ensaio de coluna monitorado é uma
adaptação do equipamento utilizado no ensaio de coluna convencional utilizado
por diversos autores (Basso, 2003; Souza, 2009; Marques, 2011; Arab, 2011; e
Almeida, 2015) mediante a implantação de sondas de TDR e tensiômetros ao
longo do corpo de prova, além de algumas outras modificações não menos re-
levantes descritas a seguir. O sistema é composto pelos seguintes componen-
tes: torre, reservatório, colunas de percolação e sondas.
8.4.1.1. Torre
A torre do equipamento tem a função de sustentar o permeâmetro mantendo a
verticalidade de ensaio. Ela é composta de uma base quadrada de aço com
lado igual a 70 cm e uma haste tubular soldada no centro da base com diâme-
tro de 50 mm. Na haste são fixadas as abraçadeiras do corpo de prova e a
bandeja de apoio através de parafusos.
Figura 8.13: Esquema gráfico do Equipamento do Ensaio de Coluna
Fonte: O autor
77
78
8.4.1.2. Reservatório
Inicialmente o equipamento foi projetado com um reservatório do tipo Mariotte
acoplado ao corpo de prova do ensaio de coluna. Este reservatório de Mariotte
teria a função de abastecer o ensaio e, simultaneamente, controlar a carga hi-
dráulica constante no topo do corpo de prova. O reservatório era composto por
um tubo de PVC com diâmetro nominal de 20 cm e altura de 60 cm com uma
mangueira graduada implantada nas laterais que permitia a medição do volume
liberado e vedado com dois caps fixados através de um sistema de travamento
metálico. O cap superior contava com um registro que permitia o acesso para
abastecimento do reservatório de Mariotte além da vedação do sistema, fazen-
do com que a única ligação com o meio externo fosse o tubo de regulação da
pressão. O cap inferior possuía uma saída central na qual era conectada uma
mangueira. Na outra ponta, a mangueira encaixava em um cilindro metálico
com ponta biselada cravado no corpo de prova. Nas figuras 8.14 e 8.15 cons-
tam fotografias do Reservatório de Mariotte e do cilindro metálico, respectiva-
mente.
Figura8.14: Foto Reservatório de Mari-
otte
Figura 8.15: Foto Cilindro Metálico
Fonte: O autor Fonte: O autor
Ao se iniciar os primeiros ensaios com as amostras compactadas, se verificou
que a carga hidráulica proporcionada pelo sistema não seria suficiente para
que o ensaio fosse realizado em tempo hábil. Além disto, como a vazão era
bastante reduzida, o monitoramento do volume percolado através da manguei-
ra lateral gerava uma imprecisão que influenciaria nos resultados obtidos.
No intuito de solucionar os problemas encontrados nos primeiros ensaios foram
estabelecidos os seguintes requisitos para o novo projeto de reservatório:
1- Permitir a aplicação de pressão externa através de uma linha de pressão,
aumentando assim a carga hidráulica no topo do corpo de prova.
2- Ser transparente e possuir graduação para monitoramento preciso do fluido
que percola no corpo de prova.
3- Estar conectado isoladamente ao corpo de prova de forma a não haver va-
zamentos ou perda de carga durante o ensaio.
A partir destes requisitos foi desenvolvido o novo modelo de reservatório con-
forme a descrição a seguir.
Os novos reservatórios são compostos por tubos transparentes de acrílico (ple-
xiglass) com diâmetro nominal de 63 mm, comprimento de 500 mm e espessu-
ra de 4 mm, permitindo o armazenamento de 1558 cm³ de fluido percolante.
Utilizando o reservatório transparente e mediante a adição de uma escala com
limite precisão da ordem de milímetros é possível monitorar a variação de volu-
me do reservatório durante a percolação de maneira precisa: cada milímetro da
escala equivale a apenas 3,116 cm³ de fluido. Para minorar os riscos de danos
mecânicos ao reservatório e evitar o desgaste do tubo de acrílico devido à
pressão durante o ensaio foram adotados reforços de fitas têxteis cada 10 cm
solidarizadas por adesivo bicomponente à base de resina epóxi.
Nas extremidades do reservatório foram utilizados cabeçotes metálicos quadra-
dos com seção de 8 cm por 8 cm e espessura de 2 cm. Nestes cabeçotes foi
aberta uma cava circular com diâmetro imediatamente superior ao do cilindro
de acrílico e profundidade de 1 cm. Para permitir a vedação e fixação do siste-
ma foram adotados "o-rings" de topo e base, posicionados entre as extremida-
79
80
des do cilindro e as cavas dos cabeçotes, junto a quatro tirantes rosqueados fi -
xados com o uso porcas. Estes tirantes são os responsáveis pela solidarização
do sistema.
Figura 8.16: Reservatório novo desmontado
Fonte: O Autor
No intuito de permitir o isolamento do reservatório para abastecimento, neces-
sário em caso de se utilizar ar comprimido como fonte de carga hidráulica, fo-
ram instalados dois dispositivos no cabeçote superior: um terminal para cone-
xão da linha de ar comprimido e um registro tipo esfera. O detalhe do cabeçote
superior está representado na 8.17.
Figura 8.17: Cabeçote superior do reservatório com dispositivos de isolamento
Fonte: O autor
O cabeçote inferior é conectado ao topo das amostras utilizando um niple per-
mitindo a alimentação dos corpos de prova durante os ensaios. O cabeçote su-
perior dos corpos de prova foi adaptado de forma a receber a conexão do tipo
niple do cabeçote inferior do reservatório de acrílico, como é possível verificar
na Figura 8.18.
Figura 8.18: Detalhe cabeçote inferior do reservatório, niple e adaptação do ca-
beçote superior do corpo de prova
Fonte: O autor
Antes da execução dos ensaios, de forma a evitar que o acrílico pudesse ab-
sorver parte dos constituintes orgânicos dissolvidos na água de produção, uma
porção de fase livre de óleo cru foi adicionada aos reservatórios, revestindo a
sua parede interna.
8.4.1.3. Colunas de Percolação
As colunas de percolação são permeâmetros rígidos compostas pela célula de
percolação, cabeçotes (superior e inferior), abraçadeira, tirantes de fixação, fil -
tros geotêxtis e dreno lateral (no caso dos dois primeiros corpos de prova en-
saiados).
A célula de percolação é constituída de um cilindro de PVC ranhurado interna-
mente e com as seguintes dimensões: 40 cm de comprimento, diâmetro interno
de 19,2 cm e espessura de parede de 1 mm. Este cilindro de PVC serve de
molde para o solo durante a compactação. A função das ranhuras na parede
interna é aumentar a aderência do solo no PVC, evitando caminhos preferenci-
ais através da interface solo-parede.
81
82
Para os dois primeiros corpos de prova compactados na energia Proctor Modifi-
cado, além do dreno situado no centro do cabeçote inferior, foi adotado um dre-
no intermediário, localizado na altura central do corpo de prova. Este dreno é
composto de uma mangueira de PVC de aproximadamente 5 cm cortada em
alguns pontos, os quais servem como caminhos preferencial para a passagem
do fluido. A mangueira foi envolvida por uma camada de geotêxtil não tecido
costurada que impede a passagem das partículas do solo, permitindo a coleta
apenas do fluido percolado.
Figura 8.19: Detalhe do dreno lateral Figura 8.20: Foto do interior do tubo
de PVC
Fonte: O autor Fonte: O autor
Os cabeçotes permitem a vedação da coluna de percolação, além da drena-
gem do percolado (cabeçote inferior) e do abastecimento e distribuição homo-
gênea da carga hidráulica em toda a seção do corpo de prova (cabeçote supe-
rior).
Figura 8.21: Foto da vista interna do
cabeçote superior e "o-rings"
Figura 8.22: Foto da vista interna do
cabeçote inferior com geotêxtil
Fonte: O autor Fonte: O autor
Nos dois primeiros ensaios foi utilizado, na extremidade inferior, um cabeçote
de PVC com “o-ring” situado na parede do mesmo. Este cabeçote era fixado na
coluna de percolação mediante a utilização de um anel de vedação e se conec-
tava aos tirantes rosqueados, conforme apresenta a Figura 8.23.
Figura 8.23: Cabeçote inferior e travamento (esquema inicial)
Fonte: O autor
No intuito de se melhorar a vedação e permitir a aplicação de maiores pressões
no reservatório, foi adotado, a partir do terceiro ensaio, um cabeçote metálico
83
84
com dois “"o-rings"” internos com orifícios para o acoplamento dos tirantes,
conforme a Figura 8.24.
Figura 8.24: Cabeçote inferior e travamento (esquema final)
Fonte: O autor
Os cabeçotes inferiores possuem um dreno situado no centro da seção permi-
tindo a coleta do volume de fluido percolado através do corpo de prova.
O cabeçote superior também possui dois "o-rings" que asseguram a vedação e
permitem a aplicação de maiores pressões no reservatório. O cabeçote superi-
or, diferente do inferior, possui uma saliência a partir do plano em que se en-
contram os furos de fixação dos tirantes. Esta saliência funciona com um reser-
vatório intermediário responsável por homogeneizar a pressão do fluido em
toda a seção do corpo de prova. Este cabeçote também foi produto da modifi-
cação descrita no item 8.4.1.2: para permitir a conexão do novo reservatório
com o corpo de prova, garantindo a vedação e manutenção da carga, a peça
que guiava o cilindro no corpo de prova e que apoiava o travamento foi altera -
da. Nesta alteração, foi soldada uma tampa metálica no topo da peça e feito
um furo central nesta tampa, originando o novo cabeçote utilizado no ensaio.
Figura 8.25: Peça guia do cilindro
(equipamento inicial)
Figura 8.26: Cabeçote superior atual
Fonte: O autor Fonte: O autor
O acoplamento dos cabeçotes ao corpo das amostras é feito mediante o uso
de vasilina, que auxilia na impermeabilização do sistema além de facilitar o en-
caixe do tubo de PVC na cavidade dos cabeçotes. Além disto, as laterais dos
tubos de PVC dos permeâmetros foram chanfradas para que a geometria des-
tes não danificassem os "o-rings", podendo causar vazamentos. Antes do en-
caixe dos cabeçotes, foram posicionadas no fundo de cada cabeçote os filtros
de geotêxtil não tecido, que possuem a função de impedir que as partículas fi -
nas sejam movimentadas para fora do corpo de prova ao longo do fluxo. Antes
da implantação dos cabeçotes também é necessário encaixar a abraçadeira
que fixa a coluna de percolação na torre do conjunto. Após o encaixe dos cabe-
çotes, os quatro tirantes rosqueados são posicionados e as roscas são aperta-
das, finalizando parcialmente a montagem da coluna de percolação, ficando
pendente apenas o seu posicionamento na torre e a implantação das sondas.
8.4.1.4. Sondas
Nos dois primeiros ensaios foram utilizadas apenas as sondas TDR descritas
no capítulo 8.3.1 por falta de mais equipamentos disponíveis. No ensaio do cor-
po de prova 1 do solo vermelho foram implantadas sondas à profundidade de
10, 20 e 30 cm a partir do topo do corpo de prova. No ensaio com o corpo de
prova 2 do mesmo solo, foram implantadas as sondas TDR à profundidade de
85
86
15 e 30 cm, já que havia apenas duas sondas disponíveis. A leitura dos resulta-
dos emitidos por estas sondas é lida em software instalado em um computador.
Com a aquisição das sondas FDR e dos tensiômetros, foi definida a utilização
de 3 sondas de cada tipo nas profunidades de 10, 20 e 30 cm a partir do topo
do corpo de prova. O armazenamento dos dados foi feito utilizando o Data Log-
ger modelo EM50 descrito no capítulo 8.3.4 e estes dados foram lidos e expor-
tados através do Software ECH2O Utility.
Figura 8.27: Posicionamento dos Tensiômetros e Sondas FDR
Fonte: O autor
8.4.2. Compactação dos Corpos de Prova
A compactação dos corpos de prova do Ensaio de Coluna Monitorado foi reali-
zada baseada nos resultados do ensaio de compactação de cada solo (umida-
de ótima e energia de compactação). Primeiramente, as amostras de solo de-
formadas foram submetidas à secagem, destorroamento e peneiramento (em
malha # 4).
Após o peneiramento, a quantidade de solo estimada para confecção de um
corpo de prova foi separada e foi determinada a umidade desta massa de solo.
Em posse da umidade e da massa do solo separado, foi calculada a quantida-
de de água a ser adicionada para que se alcançasse a umidade ótima de com-
pactação. Como os solos ensaiados possuíam relevante fração de argila, a adi-
ção do volume de água foi feita via pulverizador, evitando que se formassem
torrões de solo devido à concentração de umidade.
Após a homogeneização, todo o solo foi deixado em repouso em um saco
plástico de 40 L durante o período de 24 horas. Após este tempo, foi medida
novamente a umidade através de dois pontos e, caso o valor estivesse na faixa
de Wot ± 1%, a amostra estaria apta à compactação, caso contrário, se repeti-
ria a etapa de dosagem de água. Garantida a umidade do solo na faixa admis-
sível da umidade ótima, a massa de solo de cada camada foi separada em pe-
quenos sacos plásticos, facilitando a organização durante a compactação.
Antes de iniciar a compactação o tubo de PVC ranhurado foi fixado em um ca-
beçote inferior visando a não ovalização do mesmo durante a compactação.
Após esta etapa, se despejou o volume de solo equivalente a primeira camada,
realizando o nivelamento deste e aplicação dos golpes determinados. O soque-
te utilizado na compactação possuía altura de queda padrão de 45 cm e peso
de 4,50 kgf, conforme mostrado na Figura 8.28.
87
88
Figura 8.28: Soquete de Compactação
Fonte: O autor
As especificações de compactação para cada tipo de corpo de prova estão
descritas na tabela.
Tabela 8.11: Especificações de Compactação dos Corpos de Prova
Descrição Energia de CompactaçãoPeso Médio por
Camada (g)
Nº de Golpes por
Camada
Solo Várzea Proctor Normal (5,95 kgf.cm/cm³) 1485,17 23
Solo Vermelho Proctor Modificado (27,8 kgf.cm/cm³) 1827,71 115
Solo Piçarra Proctor Normal (5,95 kgf.cm/cm³)
Solo Piçarra E = (9,00 kgf.cm/cm³)
Solo PiçarraProctor Intermediário (12,9
kgf.cm/cm³)
Fonte: O autor
Depois da compactação de cada camada, foram executadas ranhuras no solo
com o auxílio de uma chave de fenda para criar aderência nas interfaces das
camadas. Todos os corpos de prova do ensaio de coluna monitorado foram
compactados em 15 camadas. Para permitir a compactação das últimas cama-
das e impedir a deformação do tubo de PVC foi desenvolvido um colarinho me-
tálico apresentado na Figura 8.29.
Figura 8.29: Colarinho superior de compactação e cabeçote inferior, fixados no
corpo de prova
Fonte: O autor
8.4.3. Montagem do Ensaio
Concluída a compactação dos corpos de prova, se iniciou a fase de montagem
dos ensaios. Primeiramente, a foram encaixadas na torre de sustentação a
bandeja auxiliar e a abraçadeira de fixação do corpo de prova. Em seguida, o
corpo de prova foi fixado na abraçadeira através de aperto do parafuso de re-
gulagem. Fixado o corpo de prova, se prosseguiu com a implantação dos cabe-
çotes superior e inferior, finalizada ao se regular os tirantes de travamento.
Tanto o cabeçote superior quanto o cabeçote inferior foram testados contra va-
zamento antes da utilização.
Após a implantação dos cabeçotes, visando a implantação das sondas, foram
executados pré-furos no PVC e solo com o auxílio de broca mecânica e das
ferramentas apresentadas na figura.
No caso das sondas TDR descritas no capítulo 8.3.1, foram apenas executados
furos com a broca mecânica e cravadas as hastes da sonda.
No caso das sondas FDR e dos tensiômetros, os pré-furos foram executados
com dimensões imediatamente inferiores às dimensões da sondas para que o
89
90
contato integral fosse garantido. Em casos que o pré-furo ficou maior que o
previsto, houve o preenchimento com o próprio solo na umidade ótima até que
a sonda encaixasse de forma justa. Antes da implantação das sondas FDR e
dos tensiômetros, também foi realizada uma escavação com forma cilíndrica
com centro no eixo da sonda, desde a a parede do PVC a 1 cm em direção ao
centro do corpo de prova. Esta escavação, após a implantação da sonda, foi
preenchida com silicone, visando diminuir os vazamentos na zona de interface
entre a sonda, o solo e o tubo PVC.
Finalizada a vedação com o silicone, foram fixadas capas emborrachadas ao
redor do silicone que cobre a sonda e a sonda utilizando lacre plástico e fios de
cobre, conforme apresenta a Figura 8.30.
Figura 8.30: Vedação das Sondas
Fonte: O autor
Após a conclusão da implantação e vedação das sondas, se instalou o reserva-
tório e, no caso de ensaios com pressão, se conectou as mangueiras do siste-
ma de pressão, finalizando a montagem do equipamento. Antes do início da
percolação dos fluidos foi necessário esperar a estabilização dos valores lidos
pelo tensiômetro. Quando o tensiômetro é colocado em contato com o solo, a
água presente nos seus poros migram para o solo devido à sucção deste até
que ocorra o equilíbrio.
8.4.4. Execução do Ensaio
Concluída a montagem do ensaio, se prosseguiu para a execução do Ensaio
de Coluna Monitorada. O ensaio foi iniciado com o abastecimento do reservató-
rio e, no caso dos ensaios com as amostras compactadas na energia proctor
modificado, a aplicação de pressão. No momento do primeiro abastecimento do
reservatório foi coletada uma amostra do fluido para a realização da caracteri-
zação química, conforme descrito no Capítulo 8.2.2.
Figura 8.31: Abastecimento de Reservatório
Fonte: O autor
Durante todo o ensaio foi monitorada, periodicamente, a altura da coluna do re-
servatório. Deste modo, foi possível obter tanto a vazão do fluido no reservató-
rio quanto a carga hidráulica aplicada (no caso dos ensaios com pressão, com
o auxílio do manômetro presente no sistema).
Na fase não saturada do ensaio, os armazenadores de dados (Data logger ou
software no computador) registraram periodicamente os valores lidos pelos ten-
siômetros e pelas sondas FDR e TDR. Após a saturação de todos os corpos de
prova, o monitoramento das sondas foi dispensado.
Na extremidade de cada dreno foi colocado um frasco de vidro com capacidade
de aproximadamente 250 cm³ com uma pseudo-vedação através de uma tam-
pa de pvc, conforme mostra a figura.
91
92
Figura 8.32: Frasco de vidro para coleta de efluente
Fonte: O autor
As coletas de efluentes foram realizadas visando que o volume coletado fosse
sempre próximo a 200 cm³. No momento da coleta, a amostra de fluido e o
frasco de vidro foram pesados, permitindo a mensuração do volume, e em se-
guida, foi colocada um papel-alumínio e o frasco foi fechado com uma tampa
rosqueada. O papel-alumínio tem a função de isolar o fluido da tampa, já que,
como esta é composta por material orgânico, poderia haver absorção dos
HTPs, influenciando nos resultados das análises químicas. Após o acondicio-
namento das amostras está foi mantida em frigorífico a 5º C até o momento da
caracterização química. As análises foram realizadas com amostras de aproxi-
madamente 400 cm³, ou seja, aproximadamente o conteúdo de dois frascos.
Inicialmente, não foram enviadas para análise todas as amostras, deixando
sempre 2 frascos de reserva para que se fosse necessário refazer os ensaios.
Figura 8.33: Efluente devidamente acondicionada
Fonte: O Autor
Como o volume do reservatório é relativante pequeno comparado ao volume
total a ser percolado no ensaio, gerando a necessidade de algumas recargas
durante o ensaio. Ao realizar as recargas, primeiramente se registra o volume
contido no reservatório e depois o volume final após a descarga. Desta maneira
se teve controle do volume acumulado percolado. No caso dos ensaios com li -
nha de pressão foi necessário parar o ensaio durante o abastecimento, o que,
devido ao curto espaço de tempo, não afetou os resultados. Em função dos re-
abastecimento e do longa duração dos experimentos, foram retiradas amostras
dos reservatórios ao longo do ensaio como forma de monitorar a concentração
da fonte.
Os ensaios foram finalizados quando se obteve a concentração do efluente
igual à concentração do reservatório ou ao se obter diversas medidas com con-
centração constante ou com pouca variação.
93
94
8.4.5. Determinação dos Parâmetros de Interesse
8.4.5.1. Curva de Condutividade Não Saturada (Método do PerfilInstantâneo)
O método do perfil instantâneo permite que se alcance uma solução para a
equação de Richards, na direção vertical, ao longo do umedecimento da colu-
na. No caso do ensaio de coluna monitorada, se obtém o seguinte problema de
valor de contorno, durante a infiltração da água de produção:
(34)
Onde:
q = umidade volumétrica do solo;
t = tempo de redistribuição,
z = coordenada vertical de posição,
f t = potencial total da água no solo,
K(q) função condutividade hidráulica K em função da umidade q.
Obtém-se, pela integração da equação de Richards com relação às profundida-
des, entre os limites z 1 e z 2
(35)
hz = armazenagem de água no solo (cm3/cm2 ) entre a profundidade z1 e a
profundidade z2.
O valor de K(q) é obtido, portanto, pela relação entre a variação de armazena-
gem entre as profundidades das sondas hz com o tempo t e o gradiente de f t,
determinados através de medidas simultâneas de umidade e de potencial total
ao longo da coluna de solo durante a infiltração da água.
O gradiente potencial total é calculado por:
(36)
Onde:
f tz1 = potencial total da água no solo na sonda z1
f tz2 = potencial total da água no solo na sonda z2
Δz = diferença de cotas entre as sondas
8.4.5.2. Permeabilidade Saturada
A permeabilidade saturada será determinada utilizando a Lei de Darcy apre-
sentada no capítulo 6.2.1:
Conhecendo o volume percolado em um espaço de tempo definido, é possível
definir a vazão (Q). A carga hidráulica aplicada (ΔH) é conhecida a partir da di-
ferença de cota do nível do reservatório e do dreno da coluna somada à pres-
são do ar aplicada (caso exista). Dividindo-se a carga hidráulica pelo compri-
mento da coluna, tem-se o gradiente (i). Como a área (A) da coluna é conheci-
da, se determina a condutividade saturada pela seguinte equação:
(37)
8.4.5.3. Curva de Chegada
A Curva de Chegada e, consequentemente, os parâmetros de migração de
contaminante serão determinados em função dos valores de concentração de
HTP identificados nas amostras coletadas, do tempo das coletas, da concentra-
ção inicial do reservatório e do volume de poros percolados acumulados.
Os gráficos são apresentados por concentração relativa C/C0 (concentração no
reservatório de coleta/concentração inicial) versus número de volumes de po-
ros percolados (Tp) ou tempo (t).
No ensaio de coluna o valor do fator de retardamento (Rd) pode ser determina-
do através de dois métodos convencionais: (1) diretamente da curva de chega-
da onde o valor de T correspondente a C/C0 = 0,5 (FREEZE & CHERRY, 1979
95
96
apud Basso,2003); (2) calculado a partir da área acima da curva de chegada
(SHACKELFORD, 1994 apud Basso,2003). Quando existe a maior influência
do transporte por advecção e dispersão mecânica decorrente de altas taxas de
fluxo, indicado pelo parâmetro nº de Peclet 50 utiliza-se o Rd diretamente da
curva de chegada que corresponde ao valor do nº de poros (V/Vv) em C/C0 =
0,5 (FREEZE & CHERRY, 1979, apud SHACKELFORD, 1994). Na condição de
fluxo de maior influência do transporte por difusão, decorrente de baixas taxas
de fluxo, indicado pelo parâmetro nº de Peclet < 50, calcula-se o Rd a partir da
área acima da curva de chegada. (SHACKELFORD, 1994).
Figura 8.34: Exemplos de curvas de chegada fornecendo o Rd. Concentração
relativa do soluto versus número de volume de vazios percolado. (a) correspon-
de à área acima da curva de chegada, até onde se inicia o fluxo estacionário e
(b) corresponde ao valor de T em C/C0 = 0,5
Fonte: LEITE (2000).apud Basso (2003)
A obtenção de Dh decorrerá do ajuste das equações analíticas citadas no capí-
tulo 6.4.4aos dados experimentais e refinamento do valor de Rd obtido com o
uso do método dos mínimos quadrados.
(38)
Os valores de α serão definidos a partir dos valores de Dh ajustados e dos va-
lores de vs experimentais.
A estimativa do coeficiente de difusão dos compostos orgânicos na água (D)
decorrerá do uso dos dados apresentados na Figura 8.35, em função do núme-
ro equivalente de carbono, EC.
Figura 8.35: Variação de valores de D (cm2=s) em função do número de carbo-
nos equivalente
Fonte: Gustafson (1997)
Estimativa do fator de tortuosidade será feita com o uso da Equação 39 , utili-
zada por Zhang et. Al (2005) e Parker (1989) para estimativa deste fator em
função da porosidade e grau de saturação do meio.
(39)
Onde:
n é a porosidade
Sr o grau de saturação das amostras
8.4.5.4. Curvas de Sucção
As curvas de sucção serão obtidas a partir da plotagem de um gráfico do tipo
Sucção x Umidade Volumétrica com os pontos obtidos pelas sondas ao longo
da infiltração. A curva será modelada ajustando os valores experimentais às
equações de Van Genutchen (1980) e Fredlund & Xing (1994) através do méto-
do dos mínimos quadrados, conforme exposto no capítulo 6.3.1.1
97
98
8.5. ENSAIOS COMPLEMENTARES
8.5.1. Ensaios de Permeabilidade
Os ensaios de permeabilidade foram realizados em dois momentos distintos
neste trabalho: primeiramente, no intuito de auxiliar a determinação de energia
de compactação a ser utilizada no solo piçarra e, posteriormente, visando ratifi-
car os resultados obtidos nos ensaios de coluna monitorado.
8.5.1.1. Permeabilidade do Solo Piçarra em função da energia decompactação
Conforme foi mencionado no Capítulo 8.1.1.4, se determinou antes de executar
os ensaios de coluna monitorada as energias de compactação que ocasionari-
am nos coeficientes de permeabilidade 10e-4, 10e-5 e 10e-6. Para viabilizar
essa correlação, primeiramente se compactou em permeâmetros rígidos de
PVC amostras do solo piçarra nas energias Proctor Normal, Intermediário e
Modificado.
O sistema de percolação utilizado na execução do ensaio com permeâmetro
rígido é composto basicamente de um reservatório, mangueiras, permeâmetro
e pipeta graduada fixada em painel. No caso de um dos corpos de prova da se-
gunda bateria, compactado na energia proctor modificado, foi necessário utili-
zar um reservatório auxiliar com pressão. Os ensaios foram realizados com
carga variável já que a medida que o fluido entra na pipeta a carga de posição
da saída aumenta.
A primeira bateria de ensaios contou com dois corpos de prova de cada ener-
gia de compactação, moldados pelo Laboratório de Mecânica dos Solos da
Universidade Católica do Salvador. As configurações dos corpos de prova es-
tão apresentadas na Tabela 8.12:
Tabela 8.12: Configuração dos CPs Solo Piçarra da Primeira Bateria de Ensai-
os
CPEnergia de
Compactação
Umidade de
Compactação
(%)
Grau de Sa-
turação (%)
γd
(g/cm³)
Grau de
Compactação
(%)
Altura
(cm)
Diâmetro
(cm)
Volume
(cm³)Peso (g)
5PN (6,07
kgf.cm/cm³)13,52 79,61 1,906 100,10 10,391 9,921 803,32 1737,98
10PN (6,16
kgf.cm/cm³)13,53 79,54 1,905 100,05 10,635 9,888 816,68 1766,18
4PI (12,17
kgf.cm/cm³)12,12 86,78 2,022 100,35 10,820 9,872 828,24 1877,71
11PI (12,01
kgf.cm/cm³)12,13 86,41 2,019 100,21 10,948 9,878 838,97 1899,59
3PM (24,15
kgf.cm/cm³)11,32 87,92 2,068 100,27 10,796 9,870 825,94 1901,07
1PM (24,18
kgf.cm/cm³)11,47 88,82 2,066 100,20 12,348 9,954 960,97 2213,18
Fonte: O Autor
Ao se executar os ensaios da primeira bateria, se constatou certa inconsistên-
cia nos resultados pois, ao contrário do esperado, não foi possível perceber
uma tendência correlacionando a energia de compactação e a permeabilidade.
Diante destes resultados, se levantou a hipótese de que a fração de pedregu-
lhos ocasionaria a criação de caminhos preferenciais na coluna. Durante a
compactação, estariam sendo criados canais de fluxo na interface dos pedre-
gulhos devido à má distribuição granulométrica.
Na segunda bateria de ensaios, se solicitou ao Laboratório de Mecânica dos
Solos da Universidade Católica do Salvador que as amostras fossem compac-
tadas sem parte da fração de pedregulho do solo piçarra (que passa na peneira
#4). As configurações dos corpos de prova utilizados na segunda bateria de en-
saios estão apresentadas na Tabela 8.13:
99
100
Tabela 8.13: Configuração dos CPs Solo Piçarra da Segunda Bateria de Ensai-
os
CPEnergia de
Compactação
Umidade de
Compactação
(%)
Grau de Sa-
turação (%)
γd
(g/cm³)
Grau de
Compactação
(%)
Altura
(cm)
Diâmetro
(cm)
Volume
(cm³)Peso (g)
3PN (6,07
kgf.cm/cm³)15,95 79,58 1,788 100,4 10,832 9,870 828,68 1717,87
4PN (6,16
kgf.cm/cm³)15,91 79,52 1,789 100,5 10,905 9,872 834,74 1730,81
2PI (12,17
kgf.cm/cm³)14,56 72,87 1,790 100,33 12,388 9,952 963,74 1976,06
I1PI (12,01
kgf.cm/cm³)14,18 71,21 1,792 100,45 12,712 9,993 996,89 2039,67
GPM (24,18
kgf.cm/cm³)12,95 74,44 1,876 100,50 12,188 10,014 959,81 2034,25
Fonte: O Autor
Em posse dos resultados obtidos da segunda bateria de ensaios de permeabili-
dade e através da técnica de regressão linear foram determinadas as energias
de compactação que provavelmente gerariam solos com coeficientes de per-
meabilidade ao fuido de 10e-4, 10e-5 e 10e-6.
Determinadas as novas energias de compactação foram realizados novamente
ensaios de compactação para determinação de umidade ótima e massa espe-
cífica seca máxima, conforme exposto no capítulo 8.1.1.4.
8.5.1.2. Permeabilidade dos Solos Vermelho e Várzea
No intuito de verificar os resultados obtidos a partir dos ensaios de coluna mo-
nitorada, foram executados ensaios de permeabilidade com amostras do solo
vermelho e do solo várzea. Estes ensaios, diferentemente dos ensaios com o
solo piçarra, foram realizados utilizando permeâmetros flexíveis. Os ensaios de
permeabilidade com permeâmetro flexível necessitam de corpos de prova de
menor tamanho, o que motivou a escolha deste método por conta da escassez
de solo após a realização dos ensaios de coluna monitorada.
O sistema de percolação para os ensaios de permeabilidade com permeâmetro
flexível é composto de: célula de percolação, reservatório pressurizado da
pressão confinante, reservatório pressurizado de fluido percolante, mangueiras,
painel de controle e pipeta graduada fixada em painel. Os ensaios foram reali-
zados com carga variável em função da utilização da pipeta.
Figura 8.36: Sistema de Percolação Permeâmetro Flexível
Fonte: O autor
A célula de percolação é uma célula idêntica à célula utilizada em ensaios tria-
xiais. É composta de um cilindro de acrílico capaz de resistir a tensões confi-
nantes de até 1000 kPa que está fixado a uma base de alumínio e um cabeço-
101
102
te, os quais estão intertravados. Todas as entradas de pressão se encontram
na base da câmara. Nela existem quatro válvulas: uma responsável por contro-
lar a pressão confinante, outra ligada ao topo do corpo de prova, outras duas,
diametralmente opostas, ligada à base do corpo de prova. As pressões aplica-
das no corpo de prova e na célula são controladas pelas válvulas e pelo painel
de controle.
Figura 8.37: Permeâmetro Flexível
Fonte: O autor
A compactação dos corpos de prova foi realizada utilizando um compactador
de bancada e um molde de pvc bipartido fixado em uma base metálica e confi-
nado lateralmente através de abraçadeiras. A preparação das amostras de solo
ocorreu de maneira análoga ao que foi explicado no capítulo 8.4.2. O compac-
tador possuía um soquete com peso de 2,165 kg e foi adotada uma altura de
queda de 30 cm. Nas Figuras 8.38 e 8.39 estão apresentados os aparatos utili-
zados na compactação dos corpos de prova.
Figura 8.38: Base Metálica, Molde de
PVC Bipartido e Abraçadeiras
Figura 8.39: Compactador de Bancada
Fonte: O autor Fonte: O autor
Na tabela a seguir se apresenta as especificações da compactação dos corpos
de prova.
Tabela 8.14: Especificações de Compactação dos Corpos de Prova para Per-
meâmetro Flexível
Descrição Energia de CompactaçãoPeso Médio por
Camada (g)
Nº de Golpes por
Camada
Solo Várzea Proctor Normal (5,95 kgf.cm/cm³)
Solo Vermelho Proctor Modificado (27,8 kgf.cm/cm³)
Fonte: O autor
As configurações dos corpos de prova utilizados nos Ensaios com Permeâme-
tro Flexível estão apresentadas na Tabela 8.15.
103
104
Tabela 8.15: Configuração dos CPs utilizados nos Ensaios com Permeâmetro
Flexível
Tipo de
soloCP
Umidade de
Compactação
(%)
Grau de Sa-
turação (%)
γd
(g/cm³)
Grau de
Compactação
(%)
Altura
(cm)
Diâmetro
(cm)
Volume
(cm³)Peso (g)
Vermelho 1 7,88 9,558 5,251 464,31
Vermelho 2 7,87 9,488 5,277 460,57
Vermelho 3 7,86 9,488 5,281 463,72
Várzea 1 13,64 400,67
Várzea 2 13,25 405,84
Várzea 3 13,51 406,21
Fonte: O Autor
Na montagem do ensaio, o corpo de prova é colocado no pedestal dentro da
câmara com papel filtro saturado e com pedras porosas saturadas em seus
dois extremos. Posteriormente, a membrana de látex é colocada presa com
borrachas de vedação na base e no cabeçote com a finalidade de impedir o flu-
xo de água entre a membrana e a amostra de solo.
Figura 8.40: Montagem do Ensaio de Permeabilidade com Permeâmetro Flexível
Fonte: O Autor
Após a montagem do sistema foi iniciada a saturação do corpo de prova atra-
vés de aplicação de pressão. Quando se constatou a ausência de bolhas nas
mangueiras do sistema, foi possível iniciar a execução do ensaio de permeabili-
dade, conectando a mangueira de saída na pipeta graduada.
8.5.1.3. Determinação da Condutividade Saturada
Em casos de permeâmetros de carga variável a vazão da água que passa pelo
solo pode ser medida pela água que passa pela bureta. Nesse caso, o coefici -
ente de condutividade hidráulico pode ser calculado pela equação:
(40)
Onde:
K = coeficiente de condutividade hidráulica
a = área do tubo
L = comprimento da amostra
A = área da amostra
hi = carga hidráulica inicial
hf = carga hidráulica final
105
106
8.5.2. Ensaios de Batelada
Os ensaios de batelada é utilizado para determinar o fator de retardamento no
fenômeno de migração de contaminantes em solos. Segundo a USEPA (1992),
devido à sua simplicidade e rapidez, o ensaio de batelada tem sido frequente-
mente usado nos estudos em laboratório, para avaliar a capacidade dos solos
de remover constituintes químicos da solução, sendo este o método mais co-
mum na obtenção dos valores do coeficiente de distribuição.
O ensaio de batelada consiste em misturar uma solução com volume e concen-
tração conhecida com uma massa conhecida de solo. Se impõe uma cinética
para que ocorra a interação entre o fluido e o solo e se deixa estabilizar o con-
junto. Após o equilíbrio, se mede a nova concentração do contaminante na so-
lução.
Com a repetição do ensaio de batelada variando as massas de solo é possível
traçar a isoterma de adsorção e consequentemente determinar o fator de retar-
damento.
Para determinar as quantidades de fluido e solo que viabilizaria o traçado da
isoterma foram considerados: o volume mínimo necessário solicitado pelo Le-
petro para análise das concentrações, o tamanho do recipiente de mistura do
sistema e resultados obtidos em Demuelenaere (2004) que indicavam uma re-
lação solo-fluido mínima de 1:1. O contaminante escolhido para análise, se-
guindo a lógica do ensaio de coluna monitorado, foi o HTP. A determinação
analítica das concentrações, assim como no ensaio de coluna, foi realizada
pelo Lepetro (Laboratório de Estudos do Petróleo) através do método EPA
8015B.
Antes do início do ensaio, foi separada em um galão de 20 L a quantidade sufi -
ciente para realização de todas as misturas dos ensaios de batelada. O fluido,
antes dos ensaios com cada solo, foi coletado do galão e armazenado em reci-
piente de vidro e refrigerado a 5º C, conforme apresentado na Figura 8.41, evi-
tando assim perda de hidrocarbonetos durante o processo. Uma amostra deste
recipiente foi retirada, armazenadas em frascos de vidro e enviada para análise
no Lepetro, indicando a concentração inicial do fluido.
Figura 8.41: Fluido de ensaio de batelada armazenado em frigorífico
Fonte: O Autor
Para realizar as misturas foi utilizado um erlenmeyer com capacidade de 1000
cm³ e foram adotados os volumes de fluido de 500 cm³, previamente refrigera-
dos, e a massas de solo de 200 g, 300 g, 400 g e 500 g. A mistura foi realizada
com uma palheta através de movimentos circulares durante 30 segundos.
Figura 8.42: Mistura realizada em erlenmeyer
Fonte: O Autor
Após a mistura, o erlenmeyer foi vedado utilizando papel metálico, saco plásti-
co e aro de borracha e enviado ao frigorífico a 5º C, conforme a Figura 8.43.
107
108
Passado o período de 15 dias foram retiradas alíquotas de 400 cm3 que foram
analisadas pelo Lepetro.
Figura 8.43: Misturas vedadas e armazenadas em frigorífico
Fonte: O Autor
Em posse dos resultados da concentração inicial do fluido e da concentração
de cada alíquota e relacionando com as proporções de solo e fluido será possí-
vel traçar as isotermas de adsorção.
8.5.2.1. Determinação de Kd e Rd
A partir dos valores de S (valor adsorvido pelo solo em mg/g) e C (valor da con-
centração do fluido após estabilização em mg/L) dispostos em um diagrama
cartesiano tem-se um gráfico denominado isoterma de adsorção. Isoterma de
adsorção é a relação entre a massa de soluto adsorvida e a concentração em
equilíbrio, onde descreve a relação da concentração de um soluto entre duas
fases separadas em equilíbrio em uma temperatura constante (FAGUNDES;
ZUQUETTE, 2009).
A partir da isoterma obtida, se seleciona uma representação matemática, e,
dentre as equações mais conhecidas, destacam-se a Linear, de Alta Afinidade,
Freundlich e Langmuir, conforme apresentado na Figura 8.44
Figura 8.44: Isoterma clássica de Adsorção mostrando os tipos de adsorção li-
near, de Langmuir e Alta Afinidade.
Fonte: Almeida (2015) adaptado de Yong et al. (1992)
O modelo mais frequentemente utilizado é o linear e a equação o representa é
a seguinte:
(41)
Onde:
S é a massa do soluto sorvida por unidade de massa de solo (mg/g);
Kd é o coeficiente de distribuição (L/g);
Ce é a concentração do soluto na fase aquosa no equilibro (mg/L).
Para os demais modelos também existem equações que representam as iso-
termas e estão presentes na literatura.
A partir dos valores de Kd encontrados é possível determinar os valores do fa-
tor de retardamento (Rd) através da equação:
109
110
(42)
Onde:
θ = Teor de umidade volumétrico, que é igual à porosidade quando o solo está-
saturado;
ρd = Densidade do solo seco [M/L3];
Kd = Coeficiente de partição ou distribuição água/solo [L3/M].
8.5.3. Curvas Características
As curvas características ou curva de retenção de água (CRA) estão intima-
mente relacionadas com a permeabilidade não saturada do solo, além de pa-
râmetros de resistência não contemplados neste trabalho. Para realizar o traça-
do das curvas características dos solos utilizados foram utilizados modelos
descritos na literatura para ajustar os dados experimentais obtidos.
Neste trabalho foram utilizados dois métodos para determinação da sucção nas
amostras de solo: a câmara de pressão com placa porosa e o psicrômetro
(WP4 Dewpoint Potencial Meter).
8.5.3.1. Método da Câmara de Pressão com Placa Porosa
O método da Câmara de Pressão está baseado na aplicação de pressões defi-
nidas e monitoramento respectiva da perda de umidade. A metodologia deste
ensaio ainda será definida mais detalhadamente.
8.5.3.2. Método do Psicrômetro (WP4 Dewpoint Potencial Meter)
O método do Psicrômetro será executado através do equipamento WP4 Dew-
point Potencial Meter. Neste equipamento, o corpo de prova é colocado em
uma cápsula específica dentro do equipamento e, em aproximadamente 30 mi-
nutos, é determinada a sucção mátrica do solo.
PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
Para confecção dos corpos de prova a serem utilizados no equipamento WP4C
Dewpoint Potencia Meter foram compactados, nas devidas energias, corpos de
prova cilíndricos com altura aproximada de 10,0 cm e diâmetro de 5,2 cm atra-
vés do compactador de bancada. A compactação foi realizada em quatro ca-
madas com altura final estimada de 2,5 cm, com as mesmas configurações dos
corpos de prova utilizados no ensaio de permeabilidade com permeâmetro fle-
xível.
Em posse do cilindro compactado foi utilizado um mini-cravador junto a um esti-
lete para a retirada dos corpos de provas nas dimensões corretas. Neste pro-
cesso, a lateral do corpo de prova cilíndrico foi desgastada ao redor do crava-
111
112
dor, facilitando a penetração deste na região superior do corpo de prova cilín-
drico.
Figura 8.45: Corpo de Prova Figura 8.46: Compactador de Bancada
Fonte: O autor Fonte: O autor
Após a extração, os corpos de prova foram colocados nas cápsulas específicas
do equipamento WP4C Dewpoint Potencia Meter, iniciando-se a pesagem do
conjunto cápsula + solo para posterior tratamento de dados.
OBTENÇÃO DA SUCÇÃO
Neste trabalho, foram determinadas as correlações entre umidade e valores de
sucção tanto no ramo de secagem quanto no ramo de umedecimento. Inicial -
mente, a amostra que se encontrava na umidade ótima de compactação foi sa-
turada com água deionizada na própria cápsula que se encontrava, repousan-
do por 48 horas. Após este período, a amostra foi pesada e colocada pela pri -
meira vez no equipamento WP4C, sendo coletado o primeiro ponto de sucção.
Posteriormente a este processo a amostra foi colocada na estufa por 1 minuto
e deixada em repouso com a cápsula fechada, possibilitado a diminuição da
temperatura sem a perda de umidade para o ambiente. Após 20 minutos, a
amostra foi novamente pesada e colocada no equipamento WP4C, possibilitan-
do mais uma coleta de sucção da amostra. Tal procedimento foi realizado até a
secagem completa do corpo de prova.
Figura 8.47: Saída de Dados do Equipamento WP4C
Fonte: O Autor
Para a obtenção dos dados no ramo de umedecimento, foi utilizado um geotêx-
til no intuito de homogeneizar a adição da água deionizada em todo o CP além
de possibilitar a absorção da água através da ascensão capilar. Com a amostra
totalmente seca, se determinou a quantidade de água a ser absorvida para se
chegar ao primeiro ponto (tentando coincidir com o último ponto do ramo de se-
cagem). Assim, se adicionou esta quantidade de água ao geotêxtil colocando-o
em contato com o corpo de prova dentro da cápsula. Após este contato, a cáp-
sula foi fechada com a tampa de plástico e colocada na posição invertida, per-
mitindo que o solo ficasse acima do geotêxtil e que toda a absorção da água
fosse proveniente de ascensão. Após 1 hora, se abriu a cápsula, retirando-se o
geotêxtil e se pesou o conjunto cápsula + amostra para depois ser inserido no
equipamento W4PC. Este processo foi repetido até a saturação do corpo de
prova.
8.5.3.3. Determinação das Curvas de Sucção
As curvas de sucção serão obtidas a partir da plotagem de um gráfico do tipo
Sucção x Umidade Volumétrica com os pontos obtidos através dos dois ensai-
os. A curva será modelada ajustando os valores experimentais às equações de
Van Genutchen (1980) e Fredlund & Xing (1994) através do método dos míni-
mos quadrados, conforme exposto no capítulo 6.3.1.1
113
114
9. RESULTADOS ESPERADOS
Espera-se, com este projeto de pesquisa, definir parâmetros necessários que
auxiliem a tomada de decisões por parte das empresas do ramo da produção
de petróleo, tanto na construção das bacias de contenção mais econômicas e
seguras quanto nas medidas mitigadoras na ocorrência de vazamentos durante
a extração ou armazenamento da água de produção.
Além disso, se espera que, ao comparar os resultados dos ensaios de coluna
monitorado com os métodos já consolidados, seja possível validar este método,
diminuindo tempo de obtenção dos parâmetros e economia de recursos huma-
nos e financeiros.
10. REFERÊNCIAS
115
