metodologia para controle operacional de …

Dissertação de Mestrado

METODOLOGIA PARA CONTROLE

OPERACIONAL DE BARREIRAS

GEOSSINTÉTICAS EMPREGADAS EM

DEPÓSITOS DE REJEITOS DE MINERAÇÃO

AUTORA: JÚLIA CALDEIRA RAMOS

ORIENTADOR: Prof. Dr. Romero César Gomes (UFOP)

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOTECNIA DA UFOP

OURO PRETO - NOVEMBRO DE 2013

Catalogação: [email protected]

R175m Ramos, Júlia Caldeira.

Metodologia para controle operacional de barreiras geossintéticas

empregadas em depósitos de rejeitos de mineração [manuscrito] / Júlia

Caldeira Ramos. – 2013.

119f.: il., color.; grafs.; tabs. ; fig.

Orientador: Prof. Dr. Romero César Gomes.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto.

Escola de Minas. NUGEO.

Área de concentração: Geotecnia de Barragens.

1. Rejeitos industriais - Teses. 2. Durabilidade (Engenharia) - Teses.

3. Propriedades mecânicas – Teses. 4. Propriedades térmicas – Teses

I. Gomes, Romero César. II. Universidade Federal de Ouro Preto. III. Título.

CDU: 622.7.097

mailto:[email protected]

iii

DEDICATÓRIA

Aos meus pais, Antonio e Maria Aparecida, pelo apoio e amor incondicional.

iv

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus que me abençoou com muita força, perseverança e

dedicação.

Agradeço à minha família pelo carinho e incentivo diário.

Ao Junio pelo companheirismo, cumplicidade, amor e pelas palavras de otimismo

durante os momentos de cansaço e fragilidade.

À minha amiga Helayne que disponibilizou um pouco do seu tempo para me auxiliar

com seus valiosos conhecimentos.

Aos alunos da UFOP, Letícia e Alex, que contribuíram muito para conclusão do meu

trabalho. Muito obrigada pela participação e dedicação.

Ao Jefferson, Roberto e Carlos Magno da Nortene e a própria Nortene que

possibilitaram a realização da maior parte dos ensaios.

À Engepol e à professora Kátia do laboratório de química da UFOP pela realização dos

demais ensaios.

À empresa Votorantim pela oportunidade, em especial ao Hamilton que me auxiliou

com muitas informações válidas que contribuíram de forma significativa para o

mestrado.

À DAM Projetos de Engenharia pelo apoio e compreensão aos momentos de dedicação

ao mestrado.

E ao meu orientador Romero que esteve sempre ao meu lado, me conduzindo da melhor

forma possível. Muito obrigado pela confiança, disponibilidade e dedicação.

v

RESUMO

Depósitos de rejeitos contaminantes de mineração exigem a adoção de sistemas de

barreiras de fluxo como salvaguardas do meio ambiente local. Estes sistemas são

executados comumente por meio da associação de camadas de argila compactadas com

geomembranas, particularmente geomembranas de PEAD. Neste sentido, uma premissa

de controle operacional de depósitos de rejeitos com essas barreiras inclui a avaliação e

monitoramento do desempenho das geomembranas utilizadas como interfaces de

estanqueidade ao longo do fundo e dos taludes laterais de depósitos de rejeitos. A

questão primária que se impõe, portanto, tem foco na aferição da durabilidade das

geomembranas em ambientes tão agressivos e a evolução de potenciais

susceptibilidades das mesmas à exposição contínua aos rejeitos depositados. O escopo

desse estudo consistiu na proposição de procedimentos simples e práticos para um

adequado sistema de controle e monitoramento do desempenho de geomembranas de

PEAD, confinadas em um depósito de rejeitos de zinco implantado no município de

Três Marias/MG. A metodologia proposta incluiu procedimentos para exposição e

coleta das amostras expostas aos rejeitos e o estabelecimento de propriedades-índices,

mecânicas e térmicas, para serem monitoradas por meio de campanhas experimentais de

ensaios de laboratório. Os resultados obtidos mostraram a viabilidade da proposta e sua

validação, demonstrando, entretanto, que as medições feitas num prazo de 12 meses

encontram-se ainda no domínio de variação das próprias características estruturais das

geomembranas de PEAD, demandando, portanto, prazos suficientemente mais longos

para que possam ser efetivamente adotados como parâmetros de controle do projeto.

vi

ABSTRACT

Contaminant waste deposits from mining operations require the adoption of barrier flow

systems as protection for the local environment. These systems are usually made by

associating compacted clay layers with liners, especially HDPE geomembranes. In this

sense, operational control with barriers waste deposits includes evaluation and

monitoring of the performance of liners used along the bottom and side slopes of the

waste deposits. Therefore, the primary question that appears is the durability of

geomembranes in such aggressive environments and the evolution of their performance

during continuous exposure to the waste. The scope of this work was to propose simple

and practical procedures for control and monitoring of the performance of HDPE

geomembranes, confined in a deposit of zinc waste located in the municipality in Três

Marias, State of Minas Gerais. The proposed methodology included procedures for

exposing and collecting samples exposed to the waste and establishing mechanical and

thermal index-properties to be monitored by experimental campaigns of lab tests. The

results obtained show the viability of the proposed methodology and its validation,

showing, however, measurements made within 12 months are still in the range of

variation of HDPE geomembrane characteristics. Therefore it requires longer term

analyses so that they can be effectively adopted as parameters for project control.

vii

Lista de Figuras

Figura 2.1 – Configurações típicas para sistemas de controle de fluxo (Gomes, 2012) ...... 8

Figura 2.2 – (a) Lagoa de chorume; (b) Aterro sanitário; (c) Lagoa de vinhaça em

usinas de cana-de-açúcar; (d) Revestimento de canais ...................................................... 10

Figura 2.3 – Solda por termofusão (Gomes, 2012) ............................................................ 12

Figura 2.4 – Solda por aporte de material (Gomes, 2012) ................................................. 12

Figura 2.5 – Solda por termofusão (Gomes, 2012) ............................................................ 16

Figura 2.6 – Solda química (Gomes, 2012) ....................................................................... 16

Figura 2.7 – Conexão tubo/ geomembrana ........................................................................ 18

Figura 2.8 – Tipos de geocompostos bentoníticos (Gomes, 2012) .................................... 22

Figura 2.9 – Aplicações dos geocompostos bentoníticos .................................................. 23

Figura 2.10 – Tipos de emendas dos geocompostos bentoníticos (Gomes, 2012) ............ 25

Figura 3.1 – Conformação do Depósito de Rejeitos Murici .............................................. 30

Figura 3.2 – Capacidade de armazenamento de rejeitos do Depósito Murici ................... 31

Figura 3.3 – Localização do Depósito de Rejeitos Murici ................................................ 32

Figura 3.4 – Área de implantação do Depósito de Rejeitos Murici ................................... 34

Figura 3.5 – Depósito de Rejeitos Murici: Módulos Leste e Central ................................ 37

Figura 3.6 – Concepção Original do Sistema de Barreiras do Depósito Murici: GM:

geomembrana de PEAD com 1,5mm de espessura; SC: solo compactado com 0,60m de

espessura; SDV: sistema de detecção de vazamentos, com 0,20m de espessura; CR:

camada de regularização de base, 0,20m de espessura ...................................................... 39

Figura 3.7 – Sistema de Barreiras do Depósito Murici ...................................................... 41

viii

Figura 3.8 – Vista geral da fase construtiva do Sistema de Barreiras do Depósito

Murici ................................................................................................................................. 43

Figura 4.1 – Esforços de tração em uma geomembrana (Gomes, 2012) ........................... 45

Figura 4.2 – Ancoragem simples da geomembrana (Gomes, 2012) .................................. 46

Figura 4.3 – Comprimentos típicos de mobilização para geomembrana de PEAD

(Koerner, 2005) .................................................................................................................. 47

Figura 4.4 – Ancoragem da geomembrana em trincheira (Gomes, 2012) ......................... 47

Figura 4.5 – Diagrama de esforços em uma geomembrana ancoradas (Gomes, 2012) ..... 48

Figura 4.6 – Influência da temperatura nas propriedades das geomembranas (Müeller e

Jacob, 2003) ....................................................................................................................... 49

Figura 4.7 – Corpos de prova típicos para ensaios-índices de tração ............................... 50

Figura 4.8 – Comportamento tensão-deformação de geomembranas de PEAD ............... 51

Figura 4.9 – Ensaio de tração unidirecional em faixa larga ............................................... 52

Figura 4.10 – Corpo de prova típico e arranjo do ensaio de resistência à propagação

do rasgo .............................................................................................................................. 53

Figura 4.11 – Arranjo típico do ensaio de puncionamento estático ................................... 54

Figura 4.12 – Arranjo típico do ensaio de puncionamento dinâmico ................................ 55

Figura 4.13 – Esquema geral do Ensaio DSC .................................................................... 56

Figura 4.14 – Curva típica do Ensaio DSC e temperaturas de transição ........................... 57

Figura 4.15 – Determinação do Tempo de Oxidação Induzida (OIT) no Ensaio DSC ..... 58

Figura 5.1 – ‘Mostruário de desempenho’ das geomembrana-testes: (a) pórtico de

fixação; (b) geomembranas fixadas e numeradas .............................................................. 62

Figura 5.2 – ‘Mostruário de desempenho’ das geomembranas-testes: (a)

posicionamento inicial no campo; (b) posicionamento no reservatório ............................ 62

Figura 5.3 – Corpos de prova de geomembrana cortados para ensaios de tração ............. 63

ix

Figura 5.4 – Estágios do ensaio à tração: (a) Corpo de prova posicionado na máquina de

tração; (b) e (c) Corpo de prova sob tração; (d) Ruptura da amostra ................................ 64

Figura 5.5 – Corpos de prova de geomembrana cortados para ensaios de resistência ao

rasgo .................................................................................................................................. 65

Figura 5.6 – Realização do ensaio de resistência ao rasgo ................................................ 65

Figura 5.7 – Equipamento preparado para realização do ensaio de puncionamento ......... 66

Figura 5.8 – Estágios do ensaio ao puncionamento: (a) Corpo de prova para realização

do ensaio; (b) Posicionamento da haste para início do ensaio; (c) haste pressionada

contra o corpo de prova; (d) Ruptura do corpo de prova ................................................... 66

Figura 5.9 – Ensaio DSC: (a) Equipamento utilizado; (b) Cadinho com o corpo de

prova de geomembrana e cadinho vazio (referência); (c) Fechamento do sistema; (d)

Ensaio em andamento ........................................................................................................ 68

Figura 5.10 – Ensaio OIT: (a) Corpo de prova de geomembrana no cadinho; (b)

Cadinho com o corpo de prova de geomembrana e cadinho vazio (referência); (c)

Equipamento utilizado para realização do ensaio; (d) Fechamento do sistema e início do

ensaio ................................................................................................................................. 69

Figura 6.1 – Curvas dos ensaios de tração em amostras de referência – Direção

Longitudinal ....................................................................................................................... 72


Transversal ......................................................................................................................... 73

Figura 6.3 – Curvas dos ensaios de tração em amostras EXP 01 – Direção

Longitudinal ...................................................................................................................... 75


Transversal ......................................................................................................................... 76


Longitudinal ....................................................................................................................... 77


Transversal ......................................................................................................................... 78

x


Longitudinal ...................................................................................................................... 79


Transversal ......................................................................................................................... 80


Longitudinal ....................................................................................................................... 81


Transversal ........................................................................................................................ 82


Longitudinal ....................................................................................................................... 83


Transversal ........................................................................................................................ 84


Longitudinal ....................................................................................................................... 85


Transversal ......................................................................................................................... 86

Figura 6.15 – Variações das propriedades-índices (resistência à tração e deformação

específica no escoamento): (a) e (b) Direção Longitudinal; (c) e (d) Direção

Transversal ........................................................................................................................ 87

Figura 6.16 – Curvas dos ensaios de resistência ao rasgo para amostras de referência .... 89

Figura 6.17 – Curvas dos ensaios de resistência ao rasgo para amostras EXP 01 ............. 90






xi

Figura 6.23 – Variações das propriedades-índices (resistência ao rasgo): (a) Direção

Longitudinal; (b) Direção Transversal ............................................................................... 94

Figura 6.24 – Curvas dos ensaios ao puncionamento para amostras de referência ........... 95

Figura 6.25 – Curvas dos ensaios ao puncionamento para amostras EXP 01 ................... 96




Figura 6.29 – Curvas dos ensaios ao puncionamento para amostras EXP 09 ................. 100

Figura 6.30 – Curvas dos ensaios ao puncionamento para amostras EXP 12 ................. 101

Figura 6.31 – Variações das propriedades-índices (resistência ao puncionamento) das

amostras ensaiadas ........................................................................................................... 102

Figura 6.32 – Curvas dos ensaios DSC: (a) amostra de referência; (b) EXP 01; (c) EXP

02; (d) EXP 03; (e) EXP 06; (f) EXP 09; (g) EXP 12 ..................................................... 104

Figura 6.33 – Variações das temperaturas de fusão das amostras ensaiadas ................... 104

Figura 6.34 – Variações das temperaturas de degradação das amostras ensaiadas ......... 105

Figura 6.35 – Curva do ensaio OIT para a amostra de referência ................................... 105

Figura 6.36 – Curvas dos ensaios OIT: (a) EXP 01; (b) EXP 02; (c) EXP 03; (d) EXP

06; (e) EXP 09; (f) EXP 12 .............................................................................................. 107

Figura 6.37 – Variações dos tempos de oxidação para as amostras ensaiadas ................ 108

xii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Vantagens e desvantagens dos geocompostos bentoníticos (Bouazza,

2002) .................................................................................................................................. 26

Tabela 3.1 – Opções para Arranjo e Geometria do Depósito Murici (Geoconsultoria,

2007) .................................................................................................................................. 36

Tabela 3.2 – Características granulométricas dos rejeitos de zinco (VMZ – Três

Marias) ............................................................................................................................... 38

Tabela 3.3 – Características químicas dos rejeitos de zinco (VMZ Três – Marias ) ......... 38

Tabela 6.1 – Resultados dos Ensaios de Tração – Direção Longitudinal Geomembrana

Não Exposta – Amostra de Referência .............................................................................. 72

Tabela 6.2 – Resultados dos Ensaios de Tração – Direção Transversal Geomembrana

Não Exposta – Amostra de Referência .............................................................................. 73


Imersa no Rejeito de Zinco – EXP 01L ............................................................................. 74


Imersa no Rejeito de Zinco – EXP 01T ............................................................................. 75









xiii













Tabela 6.15 – Síntese dos Resultados dos Ensaios de Tração ........................................... 88

Tabela 6.16 – Resultados dos Ensaios de Resistência ao Rasgo Amostra de Referência:

(a) Direção Longitudinal; (b) Direção Transversal ............................................................ 88

Tabela 6.17 – Resultados dos Ensaios de Resistência ao Rasgo Amostra EXP 01: (a)

Direção Longitudinal; (b) Direção Transversal ................................................................. 90











Tabela 6.23 – Síntese dos Resultados dos Ensaios de Rasgo ............................................ 94

xiv

Tabela 6.24 – Resultados dos Ensaios de Resistência ao Puncionamento Amostra de

Referência .......................................................................................................................... 95

Tabela 6.25 – Resultados dos Ensaios de Resistência ao Puncionamento Amostra

EXP 01 ............................................................................................................................... 96


EXP 02 ............................................................................................................................... 97


EXP 03 ............................................................................................................................... 98


EXP 06 ............................................................................................................................... 99


EXP 09 ............................................................................................................................. 100


EXP 12 ............................................................................................................................. 101

Tabela 6.31 – Síntese dos Resultados dos Ensaios de Puncionamento ........................... 102

Tabela 6.32 – Resultados dos Ensaios de Calorimetria Diferencial de Varredura

(DSC) ............................................................................................................................... 104

Tabela 6.33 – Resultados dos Ensaios de Determinação dos Tempos de Oxidação

(OIT) ................................................................................................................................ 108

Tabela 6.34 – Resultados dos Ensaios Realizados – Síntese Geral ................................. 109

xv

Lista de Símbolos, Nomenclatura e Abreviações

ABNT − Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANA – Agência Nacional de Águas

ASTM − American Society for Testing and Materials

CR – Camada de Regularização

CV – Coeficiente de Variação

DSC − Calorimetria Diferencial de Varredura

dT – Profundidade da Trincheira

Ea − Empuxo Ativo

Ep − Empuxo Passivo

EL− Elevação

EXP – Exposta

Fσs − Força Cisalhante sobre a geomembrana devido ao peso do solo de cobertura

Fσi − Força Cisalhante sob a geomembrana devido ao peso do solo de cobertura

FTi− Força Cisalhante sob a geomembrana devido á componente vertical de Tadm

GBR–P− Barreira Geossintética Polimérica

GCL − Geocomposto Bentonítico

GM – Geomembrana

GRI − Global Reporting Iniciative

GT – Geotêxtil

HDPE – High-Density Polyethylene

HP-OIT− Ensaio de Alta Pressão – Tempo de Oxidação Indutiva

IGSBR – Associação Brasileira de Geossintéticos

ka − Coeficiente de Empuxo Ativo

kp − Coeficiente de Empuxo Passivo

ᶩ − Comprimento de Mobilização

Lanc − Comprimento de Ancoragem

NBR − Norma Brasileira

xvi

OIT − Tempo de Oxidação Indutiva

ONU – Organização das Nações Unidas

PEAD − Polietileno de Alta Densidade

pH – Potencial Hidrogeniônico

PVC − Policloreto de Vinila

SC – Solo Compactado

SDV − Sistema de Detecção de Vazamentos

SEMAD – Secretaria de Estado de Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável

Std -OIT – Ensaio Padrão – Tempo de Oxidação Indutiva

Tadm − Tensão Admissível

Tc – Temperatura de Cristalização

Tm – Temperatura de Fusão

Tg – Temperatura de Transição Vítrea

tGM – Espessura da Geomembrana

UV– Ultra Violeta

VMZ−TM – Votorantim Metais Zinco – Três Marias

β – Inclinação do Talude

δ − Recalque

σ − Esforços de Tração

ᵞ – Peso Específico

∆H –Entalpia

xvii

ÍNDICE

CCAAPPÍÍTTUULLOO 11 −− IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................. 1

1.2 OBJETIVOS DA DISSERTAÇÃO .......................................................................... 3

1.3 ESTRUTURAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ................................................................ 4

CCAAPPÍÍTTUULLOO 22 −− SSIISSTTEEMMAASS DDEE BBAARRRREEIIRRAASS UUTTIILLIIZZAANNDDOO

GGEEOOSSSSIINNTTÉÉTTIICCOOSS EEMM DDEEPPÓÓSSIITTOOSS DDEE RREEJJEEIITTOOSS CCOONNTTAAMMIINNAANNTTEESS

2.1 SISTEMAS DE BARREIRAS .................................................................................. 6

2.2 GEOMEMBRANAS ................................................................................................. 9

2.2.1 Geomembranas de Polietileno de Alta Densidade − PEAD ............................. 9 2.2.2 Geomembranas de Policloreto de Vinila − PVC ............................................ 15 2.2.3 Instalação de Geomembranas ......................................................................... 17

2.3 GEOCOMPOSTOS BENTONÍTICOS (GCL) ....................................................... 21

2.3.1 Propriedades dos Geocompostos Bentoníticos ............................................... 23 2.3.2 Emendas ......................................................................................................... 24 2.3.3 Instalação ........................................................................................................ 25

CCAAPPÍÍTTUULLOO 33 −− EESSTTUUDDOO DDEE CCAASSOO:: DDEEPPÓÓSSIITTOO DDEE RREEJJEEIITTOOSS DDEE ZZIINNCCOO

DDAA VVMMZZ EEMM TTRRÊÊSS MMAARRIIAASS//MMGG

3.1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 27

3.2 HISTÓRICO E CONDICIONANTES DO SISTEMA DE DISPOSIÇÃO DE

REJEITOS DA VOTORANTIM ................................................................................... 28

3.3 DEPÓSITO DE REJEITOS MURICI ..................................................................... 30

3.3.1 Concepção e Premissas do Projeto ................................................................. 30 3.3.2 Localização e Condicionantes Geológico−Geotécnicos da Área ................... 32

xviii

3.4 SISTEMA DE BARREIRAS DO DEPÓSITO DE REJEITOS .............................. 37

3.4.1 Natureza e Características dos Rejeitos .......................................................... 37 3.4.2 Natureza e Características do Sistema de Barreiras ....................................... 38

CCAAPPÍÍTTUULLOO 44 −− EENNSSAAIIOOSS DDEE RREEFFEERRÊÊNNCCIIAA

4.1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 44

4.2 ESFORÇOS ATUANTES EM GEOMEMBRANAS ............................................. 45

4.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS PARA ANÁLISES DE DURABILIDADE ..... 50

4.3.1 Resistência à Tração ....................................................................................... 50 4.3.2 Resistência ao Rasgo ...................................................................................... 52 4.3.3 Resistência ao Puncionamento ....................................................................... 54

4.4 PROPRIEDADES TÉRMICAS PARA ANÁLISES DE DURABILIDADE ......... 55

4.4.1 Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)................................................ 56 4.4.2 Tempo de Oxidação Indutiva (OIT) ............................................................... 58

55 −− MMEETTOODDOOLLOOGGIIAA PPRROOPPOOSSTTAA −− EENNSSAAIIOOSS EE EESSTTUUDDOO DDEE CCAASSOO

5.1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 60

5.2 ‘MOSTRUÁRIO DE DESEMPENHO’ .................................................................. 61

5.3 METODOLOGIA DOS ENSAIOS MECÂNICOS E TÉRMICOS ....................... 63

5.3.1 Ensaios de Resistência à Tração ..................................................................... 63 5.3.2 Ensaios de Resistência ao Rasgo .................................................................... 64 5.3.3 Ensaios de Resistência ao Puncionamento ..................................................... 66 5.3.4 Ensaios de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) ............................. 67 5.3.5 Ensaios para Determinação do Tempo de Oxidação Indutiva (OIT) ............. 68

CCAAPPÍÍTTUULLOO 66 −− AAPPRREESSEENNTTAAÇÇÃÃOO EE AANNÁÁLLIISSEE DDOOSS RREESSUULLTTAADDOOSS PPAARRAA OO

EESSTTUUDDOO DDEE CCAASSOO

6.1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 71

6.2 ENSAIOS DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO .......................................................... 71

xix

6.3 ENSAIOS DE RESISTÊNCIA AO RASGO .......................................................... 88

6.4 ENSAIOS DE RESISTÊNCIA AO PUNCIONAMENTO ..................................... 94

6.5 ENSAIOS DSC – CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA ........ 102

6.6 ENSAIOS OIT – DETERMINAÇÃO DOS TEMPOS DE OXIDAÇÃO ............ 105

6.7 SÍNTESE GERAL DOS RESULTADOS ............................................................. 108

CCAAPPÍÍTTUULLOO 77 −− CCOONNCCLLUUSSÕÕEESS EE EESSTTUUDDOOSS CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARREESS

7.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................ 111

7.2 CONCLUSÕES ..................................................................................................... 112

7.3 ESTUDOS COMPLEMENTARES ...................................................................... 114

RREEFFEERRÊÊNNCCIIAASS BBIIBBLLIIOOGGRRÁÁFFIICCAASS ................................................................................................................................................ 111166

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 – CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Desde o início de sua história o homem tem buscado extrair ao máximo as riquezas da

natureza. A intensa busca por novas tecnologias para atender as necessidades humanas

geram cada vez mais resíduos que eram e ainda são lançados em um dos três

reservatórios geoquímicos da natureza: atmosfera, litosfera e hidrosfera. A

interdependência desses sistemas fornece energia para um sistema integrador que é a

biosfera.

A mineração é considerada um dos setores essenciais à economia de um país, pois gera

riquezas e viabiliza tecnologias promovendo uma melhor qualidade de vida. As

atividades decorrentes desse segmento são fatores determinantes na formação e

progresso de diversas regiões brasileiras. Contudo, não se pode deixar de mencionar o

impacto que as atividades de mineração exercem sobre o meio ambiente; estes impactos

foram bastante mais enfatizados a partir da década de 70, quando tornou-se imperativo

um criterioso e completo programa de planejamento e gestão das atividades minerarias.

Até a década de 1980, os recursos naturais eram explorados de forma desenfreada já que

a economia era voltada apenas ao consumo excessivo. Não existia preocupação com a

disposição de resíduos e esses eram lançados diretamente sobre o solo e cursos d’água,

sem maior controle ambiental. No Brasil, as questões ambientais passaram a ser objeto

de consideração específica principalmente ao longo dos anos 90, em grande parte

devido aos desdobramentos dos encontros temáticos promovidos pela Organização das

Nações Unidas (ONU), como a Eco 92, conferência de cúpula realizada no Rio de

Janeiro da qual participaram mais de uma centena de chefes de Estado e na qual foram

discutidos os grandes temas relativos às questões do meio ambiente.

2

A partir de eventos dessa natureza, impactos negativos como a degradação de áreas,

poluição dos recursos hídricos e contaminação do solo e da água, passaram a ser

considerados fatores determinantes para a escolha do local para disposição de cada um

dos diferentes tipos de resíduos existentes, bem como da avaliação criteriosa e integrada

do projeto do sistema de sua disposição final.

A maioria das empresas do ramo de mineração passou a procurar soluções e alternativas

que permitisse o uso dos recursos com menor impacto. Um importante avanço no

processo de disposição foi o confinamento de rejeitos através de diques e barragens de

terra. Nessas estruturas, no entanto, ainda persistia uma série de deficiências técnicas de

concepção e execução que comprometiam consideravelmente sua estabilidade e

segurança. Apenas mais recentemente, os projetos de barragens e pilhas de rejeitos e

estéreis passaram a contar com maior atenção das mineradoras em decorrência de

graves acidentes provocados pela ruptura destas estruturas de contenção (Gomes, 2008).

A elaboração de legislações ambientais mais rígidas em todo o mundo têm impacto

direto nestes empreendimentos, induzindo um grande aumento nos investimentos por

parte das empresas de mineração para a adequação técnica necessária, ou seja, o

atendimento às especificações e normas reguladoras que foram sendo prescritas.

Com a função de garantir a preservação das áreas de disposição e evitar a contaminação

do ambiente local, os resíduos são classificados pela NBR10004, quanto aos riscos

potenciais ao meio ambiente e à saúde pública, em Classe I - Resíduos Perigosos,

Classe II - Resíduos Não Inertes e Classe III - Resíduos Inertes. Na disposição dos

resíduos de Classe I e II deverá ser providenciado um adequado sistema de controle de

fluxo.

Com este propósito, são utilizadas as barreiras de fluxo com a função de evitar a

contaminação do lençol freático e que devem apresentar determinadas características

físicas, mecânicas e hidráulicas específicas, caracterizadas em termos de parâmetros de

operação, durabilidade, resistência mecânica, resistência química aos resíduos

depositados, resistência às intempéries e, principalmente, garantia de estanqueidade.

3

As barreiras de fluxo são constituídas por materiais naturais como as argilas

compactadas associadas ou não a materiais industrializados como os geossintéticos. A

escolha do sistema adequado irá depender do resíduo a ser depositado. Nesse contexto,

pesquisas vêm sendo realizadas a fim de avaliar o comportamento dessas barreiras

quando em contato com soluções contaminantes de naturezas diversas.

A necessidade de controle de fluxo em obras de geotecnia tornou-se, portanto, muito

comum e impositiva no caso de disposição de rejeitos de mineração potencialmente

contaminantes. A aplicação de geossintéticos tem favorecido bastante a prática destas

soluções geotécnicas, tanto pelas facilidades operacionais como pela flexibilização das

técnicas construtivas, reduzindo prazos e propiciando arranjos mais consistentes.

A questão primária que se impõe, portanto, tem foco na durabilidade das geomembranas

em ambientes tão agressivos e a evolução de potenciais susceptibilidades das mesmas

aos rejeitos depositados, que incorporam aditivos químicos diversos durante o processo

de beneficiamento industrial e que poderiam, desta forma, comprometer o desempenho

geotécnico de resistência e de estanqueidade do sistema de controle de fluxo.

1.2 – OBJETIVOS DA DISSERTAÇÃO

A presente pesquisa teve como objetivo principal estabelecer uma metodologia de

abordagem de procedimentos de controle e monitoramento do desempenho de

geomembranas de PEAD (passíveis de aplicação para geomembranas de outra

natureza), compreendendo:

(i) Procedimentos para exposição e coleta das amostras de geomembranas aos

rejeitos de mineração;

(ii) Definição de propriedades-índices características para a correlação dos

resultados entre as amostras expostas e as amostras de referência (não

expostas aos rejeitos);

(iii) Adoção de metodologias de ensaios relativamente simples e disponíveis para

aplicações práticas;

4

(iv) Possibilidade de adoção posterior no âmbito da própria empresa de

mineração, pela imposição óbvia dos longos períodos de monitoramento.

1.3 – ESTRUTURAÇÃO DA DISSERTAÇÃO

A dissertação foi subdividida em 7 capítulos, com as seguintes abordagens:

O capítulo 1 constitui esta Introdução que resume a contextualização do estudo, os

objetivos visados e a estruturação da dissertação.

O Capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica sobre sistemas de barreiras aplicáveis

a rejeitos contaminantes, com ênfase especial nas características das geomembranas de

PEAD e PVC e nos geocompostos bentoníticos. A abordagem é complementada

também com aspectos construtivos de sistemas de barreiras utilizando estes tipos de

geossintéticos.

A natureza e as características gerais do sistema de disposição de rejeitos da Unidade

VMZ –Três Marias são apresentadas no Capítulo 3, que inclui ainda as premissas da

concepção do empreendimento e os condicionantes geológico-geotécnicos locais.

Ênfase especial é dada à natureza e às características gerais do sistema de barreiras

adotado no chamado Depósito Murici, que constitui o estudo de caso da presente

pesquisa.

Os capítulos 4, 5 e 6 avaliam a metodologia proposta para controle e monitoramento de

geomembranas em sistemas de disposição de rejeitos contaminantes de mineração. No

Capítulo 4, são tratados os ensaios mecânicos e as técnicas térmicas que são propostas

para fornecer propriedades-índices, cujos valores permitiriam quantificar a evolução do

desempenho geotécnico destas interfaces confinadas em depósitos de rejeitos.

No Capítulo 5, são apresentados os procedimentos adotados para a exposição e coleta

de amostras de geomembranas de PEAD aos rejeitos de zinco do estudo de caso

analisado, bem como a sistemática dos ensaios realizados com as amostras coletadas

5

(após 1mês, 2 meses, 3 meses, 6 meses, 9 meses e 12 meses de exposição direta no

depósito) e com as amostras de referência (não expostas ao rejeito).

No capítulo 6, são apresentados em separado e de forma integrada os resultados das

séries de ensaios realizados e discutidas possíveis correlações das propriedades-índices

analisadas.

O Capítulo 7 apresenta a síntese das principais conclusões do estudo, incluindo-se ainda

algumas recomendações e sugestões para pesquisas futuras que visem dar continuidade

à metodologia proposta, no âmbito do estudo de caso analisado e de obras similares.

6

CAPÍTULO 2

SISTEMAS DE BARREIRAS UTILIZANDO GEOSSINTÉTICOS EM

DEPÓSITOS DE REJEITOS CONTAMINANTES

2.1 – SISTEMAS DE BARREIRAS

As barreiras de fluxo são utilizadas para reter, com máxima adequação, possíveis

líquidos percolados, de forma a evitar a contaminação das águas e dos solos. Nesse

sentido, devem apresentar determinadas características como durabilidade, resistência

mecânica, resistência química aos rejeitos depositados, resistência às intempéries e

principalmente estanqueidade.

No início da aplicação desses sistemas, utilizavam-se comumente solos tipicamente

argilosos (com coeficiente de condutividade hidráulica da ordem de 10-9 m/s) com

espessura mínima de 1,5m. Porém, mesmo apresentando resistência a longo prazo, as

argilas podiam apresentar contração das camadas induzindo trincas, comprometendo-se,

assim, a estanqueidade do sistema.

Para Rowe et al. (2004), aplicam-se os seguintes princípios básicos na implantação de

barreiras de fluxo:

• As barreiras de fluxo devem apresentar baixa condutividade hidráulica (valores

mínimos da ordem de 10-9 m/s) e não podem apresentar trincas na condição natural

ou mesmo quando submetidas aos efeitos da compactação. Em contato com

soluções químicas, a condutividade hidráulica deverá ser da ordem de 10-10 m/s e o

transporte deverá ser predominantemente por mecanismos de difusão;

• O solo utilizado deverá apresentar uma quantidade mínima de 15 a 20% de

partículas menores que 2µm, índice de plasticidade menor que 7%, atividade

coloidal maior que 0,3 e capacidade de troca catiônica de 10cmol/dm3, associadas às

interações dos argilominerais presentes;

7

• Deverá haver compatibilidade entre a barreira argilosa e o rejeito disposto, de forma

que não haja aumentos significativos na condutividade hidráulica;

• A barreira argilosa compactada deverá apresentar espessura mínima de 0,9 a 1,0m;

dependendo, porém, das prescrições legais aplicáveis, essa espessura poderá ser

alterada para 0,60m, quando utilizada junto com geomembranas;

• Na contenção de rejeitos industriais tóxicos, a barreira argilosa deverá apresentar

espessura mínima entre 3,0 a 4,0m, sendo que alguns casos podem demandar

camadas com espessuras muito maiores ou a utilização de barreiras compostas

múltiplas.

As argilas compactadas como barreira de fluxo foram muito utilizadas até poucos anos

atrás. O fato é que as camadas de argilas por serem muito espessas, ocupam

considerável volume que poderia ser ocupado pelos rejeitos. Além disso, a exposição

solar ou recalques diferenciais quase sempre provocam trincamento nas camadas,

facilitando a passagem de efluentes.

Assim, devido às limitações no uso da argila como barreira, os geossintéticos têm

ocupado um lugar de destaque em sistemas de controle de fluxo. O surgimento das

geomembranas e, posteriormente, dos geocompostos argilosos deram origem a novas

configurações de barreiras de fluxo com importantes características como baixa

permeabilidade, facilidade na instalação e, principalmente, aumento da capacidade do

reservatório.

Os valores muito reduzidos de condutividade hidráulica (da ordem de 10-12 cm/s) faz

com que o uso de geomembranas em obras de proteção ambiental passe a constituir uma

alternativa bastante interessante. Sendo um produto manufaturado, ou seja, passível de

um controle de produção rigoroso, é possível garantir suas propriedades físico-

químicas. Em função das características do material que será depositado no aterro, as

geomembranas são fabricadas comumente em PEAD (Polietileno de Alta Densidade) ou

em PVC (Policloreto de Vinila), com diferentes espessuras (Van Zaten, 1986; Sarsby,

2007).

8

Outro geossintético utilizado em sistemas de controle de fluxo são s geocompostos

bentoníticos (GCL´s). Os geocompostos bentoníticos consistem em geral de uma fina

camada de bentonita sódica envolvida por dois geotêxteis formando um único material.

Tal configuração resulta em um produto uniforme que cumpre com as exigências

técnicas das aplicações às quais é destinado. Dependendo do rejeito a ser armazenado,

as geomembranas e os geocompostos bentoníticos podem ser utilizadas isoladamente ou

combinados em diferentes configurações e arranjos.

Quando constituídos por uma única camada impermeável, estes sistemas são chamados

simples. São empregados geralmente nos casos de contenção de materiais onde os riscos

de vazamentos eventuais não causariam danos significativos ao meio ambiente. Os

chamados sistemas compostos são aqueles que envolvem a combinação de solos

argilosos compactados e materiais sintéticos segundo diferentes combinações.

Quando se tratam de rejeitos perigosos, são recomendados os sistemas duplos. Neste

caso, o sistema de barreiras é composto por duas geomembranas e uma camada de

argila, conjugados por uma camada de detecção de vazamentos (SDV) e por um sistema

de coleta dos percolados acima da geomembrana principal. A Figura 2.1 apresenta

algumas configurações típicas para sistemas de controle de fluxo.

(a) Barreiras simples

(b) Barreiras compostas

(c) Barreiras duplas compostas

Figura 2.1 – Configurações típicas para sistemas de controle de fluxo (Gomes, 2012)

9

A seguir, serão apresentadas as características gerais das geomembranas de PEAD, das

geomembranas de PVC e dos geocompostos bentoníticos, bem como as principais

vantagens e desvantagens para cada um destes tipos mais comuns adotados em sistemas

de controle de fluxo.

2.2 – GEOMEMBRANAS

2.2.1 – Geomembranas de Polietileno de Alta Densidade – PEAD

Geomembrana (Barreira geossintética polimérica – GBR–P) pode ser definida como

uma estrutura constituída de materiais geossintéticos produzida industrialmente em

forma de lâmina, que atua como uma barreira (ABNT NBR ISO 10318).

As geomembranas são classificadas em reforçadas quando há uma armadura de reforço

incorporada ao produto, formando uma estrutura monolítica, e texturizadas, quando

apresentam acabamento superficial rugoso com a função de aumentar as características

de atrito de interface.

As geomembranas são constituídas por PEAD, sendo produzidas pela polimerização do

etileno a baixa pressão com catalisadores específicos e copolímeros, resultando em um

polímero de alto peso molecular com excelentes propriedades físico-químicas. São

fornecidas em bobinas, com larguras entre 5m e 10m, comprimentos da ordem de 200m

e espessuras entre 1,0 e 2,5 mm.

Internacionalmente, as primeiras aplicações de geomembranas de PEAD foram feitas no

âmbito de indústrias metalúrgicas e mineradoras (Van Zaten, 1986). Em obras dessa

natureza, além da impossibilidade de manutenção das barreiras, são utilizados produtos

químicos extremamente agressivos e solicitações mecânicas acima do comum. A partir

da década de 80, com o aumento da conscientização para a proteção ambiental, uma

série de aplicações com as geomembranas tem sido fomentada com sucesso em

diferentes aplicações geotécnicas, com custos mais baixos quando comparados a outros

sistemas de barreiras.

10

Devido à sua facilidade de instalação, flexibilidade e sua reduzida permeabilidade, as

geomembranas podem ser empregadas em aterros sanitários (base e cobertura), lagoas

de efluentes, tratamento de rejeitos industriais, canais de irrigação e adução, lagos

ornamentais, reservatórios para água, enterrados ou elevados, lagoas para piscicultura,

mineração, barragens de terra e de concreto, reservatórios subterrâneos para tanques de

combustíveis, entre outros.

Na Figura 2.2, são apresentadas algumas aplicações de obras com geomembranas de

PEAD.

(a) (b)

(c)

(d)

Figura 2.2 – (a) Lagoa de chorume; (b) Aterro sanitário; (c) Lagoa de vinhaça em usinas

de cana-de-açúcar; (d) Revestimento de canais.

11

2.2.1.1 – Ancoragem

Durante a vida útil da obra, a geomembrana deve ser fixada contra instabilizações. Essa

fixação é feita através do sistema de ancoragem que pode ser provisório ou definitivo. A

ancoragem é dita provisória quando são utilizados elementos móveis para fixação,

construídos por materiais que não danifiquem a geomembrana, como sacos preenchidos

com areia ou solos finos.

A ancoragem definitiva é feita em canaletas, abertas na superfície do terreno, distante da

borda do talude da vala de 0,50 a 1m, dependendo da inclinação e da altura do talude.

Para evitar a diminuição da seção das canaletas de ancoragem, estas devem ser

executadas com um mínimo de defasagem da colocação da geomembrana.

Em superfícies de concreto, a geomembrana pode ser colocada diretamente sobre o

concreto ou sobre uma esponja de neoprene de célula fechada, e aderida à superfície do

concreto por meio de adesivo adequado. A fixação da geomembrana no concreto pode

ser feita por meio de um perfil metálico ou de plástico, preso ao concreto através de

parafusos com porca, rebite ou fixação especial.

Com perfil parcialmente embutido no concreto, a geomembrana deve ser soldada por

extrusão a um perfil pré-fabricado do mesmo polímero da geomembrana, embutido no

concreto na ocasião da construção da estrutura.

2.2.1.2 – Emendas

Quando utilizadas em obras de contenção e/ou barreira de fluxo, as geomembranas

precisam sofrer um processo de emenda que pode ser em campo ou em fábrica

dependendo da finalidade. Dependendo do tipo de rejeito e da natureza da técnica

empregada, essas emendas podem apresentar resistência reduzida. Caso haja

descolamento ou mesmo ruptura de alguma dessas emendas, poderá haver fuga do

material armazenado e comprometimento da função não apenas da geomembrana, mas

de toda a obra. Assim, é de extrema importância o estudo e compreensão dos processos

que envolvem as emendas em projetos de barreiras para controle de fluxo (Lodi, 2003).

12

Dessa forma, destaca-se a seguir os principais tipos de emendas efetuadas em

geomembranas de PEAD (Van Zaten, 1986, Shukla, 2002; Koerner, 2005).

a) Solda por termofusão: As faces dos painéis de geomembrana a serem emendados

são unidas por aquecimento obtido por transferência de calor por suflamento de

ar ou cunha metálica. A solda é de linha dupla com um canal central, através do

qual se faz o ensaio não destrutivo de pressurização, para verificar a sua

estanqueidade (Figura 2.3).

Figura 2.3 – Solda por termofusão (Gomes, 2012)

b) Solda por aporte de material (extrusão): um filete extrudado a partir de um

cordão ou de grânulos do mesmo polímero componente dos painéis da

geomembrana é depositado na borda sobreposta do painel (Figura 2.4).

Figura 2.4 – Solda por aporte de material (Gomes, 2012)

2.2.1.3 – Ensaios para Aferição da Estanqueidade das Emendas

Para iniciar a soldagem dos painéis de geomembrana na obra, os parâmetros de solda

devem ser definidos por meio de ensaios de cisalhamento e descolamento (normas

ASTM D 6392 e GRI GM 19). Nesses ensaios, a tensão de ruptura da solda, que varia

conforme a espessura e o tipo de polímero utilizado deve atender aos valores

relacionados nas prescrições técnicas do projeto. Após a definição dos parâmetros, as

soldas serão executadas e submetidas a detalhadas inspeções visuais e a ensaios. De

acordo com as recomendações da IGSBR 01, esses ensaios podem ser:

13

a) Ensaios não-destrutivos: ensaios realizados simultaneamente com os serviços de

solda. Assim, todas as soldas deverão ser verificadas ao longo do seu

comprimento para certificação da estanqueidade. Esses ensaios podem ser:

• Ensaio de vácuo: esse ensaio é realizado em soldas feitas pelo processo de

extrusão. O cordão de solda, em tramos de 50 cm, é submetido a uma pressão de

20kPa, que é aplicada no interior de uma caixa transparente vedada com

neoprene no contato com a geomembrana e colocada de antemão sobre a solda

molhada com água e sabão. Após a aplicação da sucção sob a pressão de ensaio,

aguarda-se por um tempo de 10 segundos para verificar se houve ou não a

formação de bolhas de sabão. Caso haja a formação de bolhas, após o período de

10s, a caixa transparente é movida para a área adjacente deixando um traspasse

mínimo de 7,5 cm com a mesma. Todas as áreas onde houver a formação de

bolhas deverão ser marcadas e posteriormente reparadas.

• Ensaio da Faísca Elétrica: Esse ensaio é realizado em superfícies que apresentam

irregularidades ou curvas e que não seja possível a realização do ensaio de

vácuo. Um arame fino condutor, de diâmetro inferior à espessura da

geomembrana, é colocado ao longo da borda do traspasse superior tal que esse

fique no interior da solda por extrusão realizada. Toda a linha de solda é

verificada por um mecanismo semelhante a uma vassoura metálica, ligada a uma

fonte de 20 kV. Faíscas elétricas são emitidas quando da detecção de falhas

existentes.

• Ensaio de Pressurização: Esse ensaio é executado no espaço livre entre as duas

linhas de solda por cunha quente ou ar quente. O equipamento utilizado, o qual

depende da espessura e rigidez da geomembrana, deve ser capaz de suprir e

sustentar uma pressão de 70 a 205 kPa. Os dois extremos da linha de solda são

selados. A seguir, em um dos extremos do canal é colocado um dispositivo no

qual é inserida uma agulha conectada a uma válvula com manômetro e é

injetado ar até obter uma pressão entre 70 e 205 kPa. Após a estabilização do

sistema, aproximadamente dois minutos, é feita a primeira leitura do

manômetro. Após cinco minutos faz-se novamente a leitura do manômetro. A

14

máxima queda de pressão, que também depende da espessura e rigidez da

geomembrana, deve ser de 14 a 35 kPa. Se a queda de pressão for superior aos

limites estipulados, a solda analisada deverá ser corrigida.

• Ensaio de Jato de Ar: Esse ensaio é realizado quando a solda não pode ser

testada pelo ensaio de vácuo nem pelo ensaio de faísca elétrica devido às

condições locais e quando essa for constituída por apenas uma linha. Como o ar

é injetado por um orifício de 5 mm de diâmetro a uma pressão em torno de 350

kPa, deve-se ter precaução na execução do ensaio para que não cause danos à

geomembrana.

• ‘Spark Test’: Quando houver a possibilidade da existência de furos seja por

queda de objetos durante a instalação, transporte ou mesmo por defeito de

fabricação, os painéis de geomembrana deverão ser verificados pelo ensaio de

‘Spark Test’. O ensaio é constituído por uma fonte de baixa amperagem e alta

tensão ( 20 a 100 kV), que depende da espessura da geomembrana. Um fio

terra e uma haste com uma escova ou barra metálica são ligados à fonte e

passada lentamente por um operador sobre todos os painéis de geomembrana

instalados. A geomembrana atua como material isolante entre o solo e a haste

metálica; se for detectada qualquer descontinuidade será emitida uma faísca

seguida de um sinal sonoro tipo bip.

b) Ensaios destrutivos: São realizados para avaliar estatisticamente a qualidade das

soldas, em corpos de prova de 2,54 cm de largura por 15 cm de comprimento.

As recomendações a serem seguidas são as das normas ASTM D 6392, D 4437,

D 413, D 3083, D 638 e GRI GM 19, visando atender basicamente a duas

propriedades:

• Resistência ao Cisalhamento: este ensaio consiste em submeter o corpo de

prova, com a geomembrana superior presa a uma das garras do tensiômetro e

a inferior presa a outra garra, a um esforço de cisalhamento direto a uma

velocidade que depende do tipo de polímero da geomembrana, e registrar a

sua máxima resistência e a localização da zona de ruptura;

15

• Resistência ao Descolamento: nesse ensaio o corpo de prova deve ser preso

às garras do tensiômetro do mesmo lado da solda, e forçado a abrir ao longo

da mesma.

Devido a características como alta resistência a substâncias químicas, alta resistência

mecânica e bom desempenho a baixas temperaturas, em obras para disposição de

rejeitos, utilizam-se preferencialmente as geomembrana de PEAD, mesmo levando-se

em conta tratar-se de um material de difícil trabalhabilidade, elevado coeficiente de

expansão térmica, pouca aderência aos solos e sensível a trincamento por tensão.

2.2.2 – Geomembranas de Policloreto de Vinila – PVC

Geomenbranas de PVC constituem excelentes alternativas como barreira de fluxo em

obras de construção civil ou industrial. Além da característica de amoldar com

facilidade a qualquer superfície (obras em solo ou em concreto), elas são uma ótima

solução para obras que necessitem de resistência e estabilidade, como barreiras de

controle de fluxo em lajes, reservatórios, muros de arrimo e projetos paisagísticos, entre

outras aplicações.

As geomembranas de PVC são fabricadas por meio do processo de calandrado. Neste

processo, o polímero, os aditivos e os plastificantes são mesclados e aquecidos de modo

a iniciar uma reação entre componentes. Logo a mescla é transportada a um moinho de

rodas onde é homogeneizada para, em seguida, passar pela calandra, que é um sistema

formado por rodas contrapostas que conferem uma forma de lâmina ao produto final.

Esse método permite fabricar geomembranas compostas de uma ou várias lâminas em

sua espessura, entre as quais é possível inserir malhas de reforço. São fornecidas em

rolos, com 1,40 m de largura, comprimentos da ordem de 40 m e espessuras entre 0,60 e

2,0 mm.

Graças às suas características como seu alongamento superior a 200%, elas podem ser

pré-soldadas em painéis e com dimensões conforme cada necessidade. São instaladas

com rapidez e praticidade, o que resulta na redução de mão-de-obra e de equipamentos,

com ganho de tempo de instalação e menores cronogramas da obra.

16

Outra vantagem é que a união entre as geomembranas de PVC pode ser feita por

métodos diversos (alta frequência, ar quente, cunha quente e por colas apropriadas). São

confiáveis e apresentam grande facilidade em termos de reparos. Como os

equipamentos utilizados nas soldas são especiais, além de controlarem automaticamente

a velocidade e a temperatura de execução, eles também conferem a eficiência das

emendas. Um teste de pressão ou vácuo pode ser realizado durante a instalação para

verificação da estanqueidade já que as soldas são duplas (semelhante a uma costura

dupla e paralela, com um intervalo vazio entre elas).

2.2.2.1– Emendas

As geomembranas de PVC, ao contrário das geomembranas de PEAD, podem ser

soldadas em fábrica, formando grandes painéis, reduzindo ou mesmo eliminando grande

parte dos trabalhos de emendas em campo. Assim, quando há a necessidade dessas

emendas em campo, essas poderão ser (Van Zaten, 1986, Shukla, 2002; Koerner, 2005):

a) Solda por termofusão: as faces dos painéis de geomembranas a serem

emendados são unidas por aquecimento obtido por transferência de calor por

suflamento de ar ou cunha metálica (Figura 2.5).

Figura 2.5 – Solda por termofusão (Gomes, 2012)

b) Solda química: dois painéis são unidos mediante o ataque químico das

superfícies provocado por um solvente volátil que leva à fusão das partes, com o

auxílio de pressão mecânica (Figura 2.6).

Figura 2.6 – Solda química (Gomes, 2012)

17

c) Solda por alta frequência: a união dos dois painéis se dá por interação molecular

causada por alta frequência.

d) Vedação por emulsão: compreende uma vedação complementar para garantir a

estanqueidade da solda; faz-se a deposição na borda sobreposta do painel de

uma pasta preparada a partir do polímero dissolvido e componente dos painéis.

Dentre os polímeros que servem de matérias primas para a fabricação de

geomembranas, o PVC é o segundo mais usado a nível mundial. Por sua flexibilidade, a

geomembrana de PVC amolda-se muito bem aos vários tipos de obras em solo ou em

concreto. Aliando-se suas boas características de resistência, facilidade de soldagem,

atrito de interface, baixa condutividade hidráulica e baixo custo, resulta em um dos

melhores produtos para barreira de fluxo. Apresenta, porém fraco desempenho a altas e

baixas temperaturas, baixa resistência à radiação ultravioleta, ozônio, sulfetos e

intempéries, além de baixa resistência química a algumas substâncias.

2.2.3 – Instalação de Geomembranas

O passo mais importante para assegurar a qualidade de aplicação de geomembranas em

obras compreende bons procedimentos de instalação. Assim, é importante que as

exigências e necessidades da instalação sejam definidoras das etapas anteriores, sempre

à luz de manuais, normas e padrões de aceitação. Sendo assim, destaca-se a seguir os

procedimentos a serem adotados na instalação de geomembranas:

a) Preparação das superfícies que receberão a geomembrana: a superfície a ser

revestida deverá ser preparada imediatamente antes da colocação da

geomembrana. Para evitar que a superfície seja danificada, esta deverá estar lisa

e livre de objetos pontiagudos, de pedras, material orgânico e madeira. Além

disso, não serão permitidas pedras com diâmetro maior que 9,52mm nos últimos

15 cm do solo de apoio da geomembrana. Caso o sistema de barreiras inclua a

argila compactada, a superfície desta camada não deverá ter mudanças abruptas

no seu nivelamento. Enfim, todas as recomendações citadas acima deverão ser

seguidas antes da colocação da geomembrana;

18

b) Canaleta de Ancoragem: as dimensões das canaletas são determinadas em

função da inclinação e altura do talude. Assim, a canaleta escavada deverá ter as

dimensões previstas no projeto. Para evitar danos ocasionados pela chuva,

ressecamento com trincas e abatimento das suas laterais, essas canaletas deverão

ser escavadas imediatamente antes da colocação da geomembrana, tomando-se

os devidos cuidados para que o reaterro destas não cause danos à geomembrana.

Ainda com relação a possíveis danos, no caso dessas canaletas serem escavadas

em solos rijos e duros, as bordas deverão ser levemente arredondadas. Sob o

reservatório, poderá ser utilizado um geotêxtil não tecido agulhado com massa

por unidade de área elevada como elemento de proteção;

c) Conexão da geomembranasa estruturas de concreto: essa conexão é feita através

de perfil de PEAD. Para que fique solidarizado à estrutura, o perfil de PEAD é

colocado na fôrma antes da concretagem. A geomembrana é soldada ao perfil

através de solda por extrusão ou por meio de perfis metálicos fixados

externamente através de parafusos;

d) Interferências: no projeto deverão ser detalhadas todas as interferências da

geomembrana com tubos, caixas de entrada e saída e outras superfícies, para as

devidas especificações dos trabalhos de campo nestas zonas do maciço (Figura

2.7);

Figura 2.7 – Conexão tubo/ geomembrana

e) Colocação de geomembrana: para fins de controle operacional, o número, a

localização e a data de colocação de cada painel deverão ser registrados durante

a instalação da geomembrana.

19

Além disso, diariamente deverá ser elaborado o ‘as built’ do projeto. A

colocação dos painéis deverá seguir estritamente as especificações do projeto

executivo. A geomembrana deverá ser colocada verticalmente, no sentido da

inclinação do talude e de forma que fique com o mínimo possível de rugas e

ondulações, porém com folga mínima, para que não fique tensionada ao dilatar e

contrair.

Para evitar o levantamento da geomembrana pelo vento, esta deverá ser

ancorada temporariamente com sacos de areia ou terra, pneus ou quaisquer

outros elementos que não cause danos à mesma, a fim de se obter boa

conformação da superfície, ao longo das bordas e cantos dos painéis antes da

ancoragem definitiva. A geomembrana deverá ser protegida mecanicamente com

geotêxtil, ‘geomembrana de sacrifício’ ou uma camada de solo, caso o tráfego

de veículos sobre a mesma seja inevitável;

f) Emendas: as soldas deverão ser feitas verticalmente na direção da inclinação do

talude. As soldas horizontais deverão ser realizadas a uma distância superior a

1,5m do pé do talude, no fundo, ou em áreas de grande concentração de tensões.

Em cantos e locais de geometria irregular, o número de soldas deverá ser o

mínimo possível. Para permitir um trespasse plano, ‘bocas de peixe’ ou rugas

nos trespasses das soldas deverão ser cortados. Um ‘manchão’ oval ou redondo

deverá ser colocado no caso de irregularidades na continuidade da

geomembrana.

Os trespasses entre os painéis deverão ser de 10 cm nas soldas por termofusão e

7,5 cm nas soldas por extrusão e deverão estar secos e limpos antes da realização

das soldas. Antes da realização das soldas, o equipamento e o desempenho do

soldador deverão ser verificados. Além disso, as soldas executadas nos painéis

de geomembrana deverão ser realizadas sob as mesmas condições que as soldas-

testes (amostras com 1m de comprimento por 0,30 m de largura, com a solda

centrada ao longo do comprimento).

Das amostras para soldas testes deverão ser extraídas cinco corpos de prova com

2,5 cm de largura por 30 cm de comprimento para serem testados ao

cisalhamento e ao descolamento. Estes corpos de prova não deverão romper;

caso isso ocorra, os ensaios serão repetidos para mais cinco corpos de prova, de

20

acordo com as recomendações técnicas e os valores de resistências estipulados

pela norma GRI GM 19;

g) Verificação das soldas: a verificação das soldas deverá ser feita simultaneamente

aos serviços de solda através dos ensaios não destrutivos e destrutivos. Para

ensaios não destrutivos, as soldas realizadas por termofusão deverão ser testadas

ao longo do seu comprimento através dos ensaios de pressão de ar e as soldas

por extrusão através do ensaio de vácuo ou pelo ‘spark test’ que, devido à

localização, não possam ser testadas pelo ensaio de vácuo. Para verificação da

estanqueidade global da geomembrana instalada, pode ser usado o ensaio ‘spark

test’.

Os ensaios destrutivos (cisalhamento e descolamento) deverão ser realizados em

cinco corpos de prova, no tensiômetro na obra ou em laboratório independente;

h) Critério de aceitação das soldas: deverão ser realizados ensaios destrutivos com

cinco corpos de prova e todos deverão ser aprovados quanto à localização da

ruptura e quanto a resistência da solda. Além disso, a ruptura deverá ocorrer pelo

rasgamento da geomembrana e não pela área soldada;

i) Controle de qualidade da instalação: a qualidade da instalação da geomembrana

será comprovada pela apresentação de planilhas, relatórios com o registro de

todos os serviços executados, ensaios não destrutivos e destrutivos além do ‘as

built’ da área instalada. É recomendada a contratação de uma empresa

fiscalizadora especializada para acompanhar os serviços e o controle de

qualidade da instalação;

j) Verificação da qualidade assegurada da instalação: todas as etapas da instalação

da geomembrana deverão ser verificadas simultaneamente à realização dos

serviços. Os itens a serem verificados são: superfície de apoio, colocação dos

painéis de geomembrana, ancoragens, interferências, execução e verificação das

soldas.

Todos estes itens deverão obedecer às especificações do projeto, às normas

pertinentes e às recomendações da IGSBR 01.

21

2.3 – GEOCOMPOSTOS BENTONÍTICOS (GCL)

Os geocompostos bentoníticos ou Geosynthetic Clay Liners (GCL) consistem em geral

de uma fina camada de bentonita sódica, envolvida por geotêxteis ou geomembrana

formando um único material. Tal configuração resulta em um produto uniforme que

cumpre com as exigências técnicas das aplicações às quais é destinado.

São apresentados em bobinas com largura e comprimento em torno de 5 e 50 m,

respectivamente, e espessuras de 1 cm, sendo o conteúdo de argila, com umidade entre

10 e 20%, da ordem de 5 kg/m2 (Shukla, 2002; Sarsby, 2007). Normalmente são usados

como alternativa para substituir a camada de argila compactada ou como camada

complementar em sistemas compostos por vários geossintéticos e camadas de argila

compactada, solução que pode se mostrar bastante interessante em projetos

compreendendo a disposição de resíduos ou efluentes muito contaminantes.

Sua função é a de atuar como uma barreira de fluxo, similar a uma camada de argila

compactada, em função da propriedade da bentonita ser expansiva ao entrar em contato

com algum líquido. No momento em que o produto se encontra confinado, o processo

de expansão gera uma diminuição dos índices de vazios do meio, garantindo

baixíssimos valores de condutividade hidráulica. As permeabilidades do geocomposto e

da argila compactada deverão ser mantidas inalteradas, tanto no estado seco como no

úmido, após passar por um ou mais ciclos de umedecimento e secagem.

A substituição de uma camada de argila compactada por um geocomposto bentonítico,

em termos de viabilidade econômica, deve ser realizada baseando-se nos seguintes

fatos: disponibilidade de argila próxima ao local da obra, distância média de transporte

da argila, qualidade da argila disponível e cálculo da espessura da camada de argila a ser

substituída.

Um geocomposto possui valores de condutividade hidráulica da ordem de 10-9 m/s, ou

seja, garante uma estanqueidade equivalente a de uma camada de argila compactada de

aproximadamente 1m de espessura com coeficiente de permeabilidade da ordem de 10-7

m/s (Sarsby, 2007).

22

Outro ponto bastante interessante é a comparação com as geomembranas. No momento

em que ocorre um dano ou falha na instalação de uma geomembrana, considerando que

a mesma não possui capacidade de auto-selagem (característica dos geocompostos),

surge uma forte tendência do percolado se encaminhar em direção ao dano e atravessar

a manta. Devido a esse fato, é importante sempre a previsão de camadas

complementares às geomembranas que possam garantir estanqueidade mesmo quando

numa eventual falha de instalação ou dano das mesmas.

De acordo como são fabricados, os geocompostos podem ser classificados em

reforçados ou não. Nos geocompostos reforçados, as camadas externas de geossintéticos

são unidas mecanicamente por costura ou agulhamento. Os produtos não reforçados são

fabricados com o uso de adesivos. Recomenda-se que em taludes sejam utilizados os

geocompostos reforçados, uma vez que possuem maior resistência ao cisalhamento. A

Figura 2.8 ilustra os diferentes tipos de geocompostos bentoníticos.

Figura 2.8 – Tipos de geocompostos bentoníticos (Gomes, 2012)

O geocomposto bentonítico substitui a argila compactada com grandes vantagens em

obras como aterros sanitários (base e cobertura), valas de rejeitos industriais, proteção

23

em armazenamento de combustíveis, reservatórios de água e lagoas ornamentais, entre

outras obras. Algumas destas aplicações são apresentadas na Figura 2.9.

(a) Geomembrana sendo instalada sobre o geocomposto de bentonita

(a) Aplicação de geocomposto bentonítico na cobertura de aterro industrial

(b) Figura 2.9 – Aplicações dos geocompostos bentoníticos

Mesmo que os geocompostos possam ser utilizados como revestimento único, tem sido

mais frequente o seu uso em sistemas compostos seja com geomembranas ou mesmo

geocompostos drenantes. Geralmente nestes sistemas, o geocomposto é colocado sob a

geomembrana, substituindo a camada de argila compactada.

2.3.1 – Propriedades dos Geocompostos Bentoníticos

a) Condutividade Hidráulica: essa propriedade é dependente da tensão que está

atuando no geocomposto, sendo da ordem de 10-9 cm/s para as encapsuladas em

geotêxtil e de 10-12 cm/s para as aderidos a geomembranas;

24

b) Resistência ao Cisalhamento: para a resistência de geocompostos argilosos,

consideram-se duas possibilidades de ruptura (Shukla, 2002):

• Pelo próprio corpo da bentonita (resistência interna): quando hidratada, a

argila bentonítica apresenta baixa resistência ao cisalhamento. Em

função do estado da bentonita, o ângulo de atrito varia: quando estão

secas, tendem a apresentar ângulos de atrito superiores a 30˚, porém

quando hidratadas, esses ângulos podem ser reduzidos a valores

inferiores a 10˚. Essa variação de ângulo de atrito pode causar

instabilidades podendo provocar rupturas através da bentonita. No

entanto, esse problema pode ser resolvido pelo agulhamento entre os

geotêxteis das duas faces do geocomposto;

• Pela interface entre o geotêxtil (ou geomembrana) e o material adjacente

(resistência de interface): o material em contato com o geocomposto e a

fuga da bentonita do invólucro geotêxtil podem condicionar a resistência

de interface. Como diversas situações podem ocorrer, recomenda-se a

realização de ensaios de forma que as condições de umidade e dissipação

de poropressões possam ser representadas conforme a situação de

campo.

c) Autocicatrização: a expansão da bentonita presente no geocomposto bentonítico

permite que eventuais furos resultantes da instalação sejam sanados. Essa

capacidade de autocicatrização do geocomposto bentonítico permite que, em

ciclos de umedecimento e secagem, caso haja o aparecimento de trincas, as

propriedades hidráulicas do elemento possam ser resgatadas, garantindo-se a

manutenção da estanqueidade do sistema.

2.3.2 – Emendas

Nos Geocompostos Bentoníticos, a maioria das emendas é efetuada por simples

superposição, com comprimentos que variam entre 10 e 30 cm. A Figura 2.10 ilustra as

opções comuns de emendas entre estes geossintéticos.

25

Figura 2.10 - Tipos de emendas de geocompostos argilosos (Gomes, 2012)

Em geocompostos argilosos (GCLs) produzidos com geotêxteis agulhados, a bentonita é

colocada numa proporção da ordem de 0,8 kg/m, na região de superposição, que deve

penetrar nos poros do geotêxtil e, quando hidratados, promover a autoligação entre os

painéis; para geotêxteis colados, é necessário a colocação de bentonita adicional. No

caso de geocompostos argilosos com geomembranas, é utilizada apenas a superposição

como emenda; porém, se for imprescindível, uma capa de geomembrana pode ser

soldada como uma garantia adicional.

2.3.3 – Instalação

A instalação dos geocompostos bentoníticos é feita de modo similar à instalação das

geomembranas. A superfície que onde será aplicado o geocomposto bentonítico deve

estar nivelada, seca, limpa e livre de quaisquer materiais soltos ou pontiagudos que

possam danificá-lo. O geocomposto deve ser manejado com cuidado para evitar danos

e, em taludes, ele deve ser ancorado de forma segura e a abertura do rolo ser

adequadamente sequenciada ao longo da superfície a ser coberta.

26

A colocação do geocomposto deve ser normal ao talude e a ancoragem feita em

canaletas escavadas na crista do talude, com fixação com sacos de areia contra a ação de

ventos. Além disso, o geocomposto não poderá ser aplicado em dias de chuva forte ou

em áreas alagadas. A aplicação do geocomposto deve ser feita de tal forma que possa

ser envolto pelo solo de cobertura ou pela geomembrana no mesmo dia.

As principais vantagens dos geocompostos bentoníticos são a sua fácil instalação, baixo

custo, pequena espessura, boa flexibilidade com os recalques das camadas subjacentes

de solo ou resíduos, facilidade de execução de reparos, autocicatrização e sua habilidade

de expansão quando em contato com líquidos. Por outro lado, suas principais

desvantagens são a limitada espessura desta barreira pode produzir vulnerabilidade a

acidentes mecânicos, permeabilidade a gases nos casos de bentonitas levemente úmidas

e incompatibilidade com certos efluentes. A Tabela 2.1 apresenta um resumo das

principais vantagens e desvantagens um geocomposto bentonítico.

Tabela 2.1 – Vantagens e desvantagens dos geocompostos bentoníticos (Bouazza, 2002)

Vantagens Desvantagens Rápida instalação, trabalho menos qualificado e baixo custo

Baixa resistência ao cisalhamento da bentonita hidratada (GCL não reforçado)

Condutividade hidráulica muito baixa para água se for instalado corretamente

GCLs podem sofrer punção durante a instalação

Pode resistir a grandes recalques diferenciais

Bentonita com baixa umidade é permeável

Excelentes características de autocicatrização

Potenciais problemas de resistência na interface com outros materiais

Não depende da disponibilidade de solos locais

Pequena capacidade de atenuação de percolados

Facilidade de conserto Possibilidade de menor resistência ao cisalhamento após o pico

Resistência aos efeitos de ciclos de gelo/degelo

Possibilidade de maior fluxo a longo prazo devido a uma redução na espessura da bentonita sobre uma tensão normal aplicada

Maior espaço para armazenamento visto a pequena espessura

Possibilidade de aumento na condutividade hidráulica devido a problemas de compatibilidade com contaminantes se não pré-hidratado com água inicialmente

Não há necessidade de ensaios e condutividade hidráulica em campo

Alto fluxo difusivo de contaminante se comparado com liners de argila compactada

Quando hidratado o GCL é uma barreira hidráulica eficiente

Tendência de troca de íons (para GCL com bentonita sódica)

Redução de tensões de sobrecargas sobre substratos compressíveis

Tendência de ressecamento para coberturas inadequadas (camada > 0,6 m de solo)

27

CAPÍTULO 3

ESTUDO DE CASO: DEPÓSITO DE REJEITOS DE ZINCO DA VMZ

EM TRÊS MARIAS/MG

3.1 – INTRODUÇÃO

O zinco é considerado o terceiro metal não ferroso mais consumido no mundo, na

sequência do alumínio e do cobre. O zinco se destaca pela sua elevada resistência à

corrosão e facilidade de combinação com outros metais. Cerca de 45% do consumo

nacional de zinco é empregado na galvanização. As indústrias de construção civil,

eletrodomésticos e transportes são os maiores consumidores de produtos galvanizados.

As reservas mundiais de zinco estão estimadas em 250 Mt. Os mais importantes

depósitos estão distribuídos na Austrália, China, México, Peru, Cazaquistão e Índia,

representando nada menos que 73,9% do total. Apenas 1,0% dessas reservas estão

localizadas no Brasil. São 2,2 Mt, concentradas no Estado de Minas Gerais. A produção

mundial de zinco contido em concentrado atingiu 12,4 Mt em 2011. Os maiores

produtores são a China, Austrália e Peru. O Brasil produziu 198 mil t, representando

1,6% da produção mundial (DNPM, 2012).

No Brasil a produção nacional de zinco provém de três minas localizadas em dois

estados. Em Minas Gerais, a Votorantim Metais Zinco S/A produz minérios silicatados

na mina de Vazante (minas a céu aberto e subterrânea) e sulfetados na mina de Morro

Agudo (mina subterrânea). Após beneficiados, estes minérios garantem mais de 80% da

necessidade da planta metalúrgica de Três Marias, ao passo que a planta de Juiz de Fora

produz zinco utilizando como matéria-prima o concentrado sulfetado importado. No

Estado do Mato Grosso, a Prometálica Mineração Ltda limita-se à extração e

beneficiamento de minério sulfetado de zinco em sua jazida de Monte Cristo, localizada

no município de Rio Branco.

28

A Votorantim Metais Zinco S/A, empresa de capital nacional integrante do Grupo

Votorantim, é a principal produtora de zinco no País. Ela dirige seu foco para a

mineração e metalurgia de zinco, níquel e aços longos. Hoje, a VM é uma das cinco

maiores produtoras mundiais de zinco, maior fabricante de níquel eletrolítico da

América Latina, líder brasileira na produção de alumínio primário e segunda maior

empresa brasileira na produção de metais não-ferrosos (VOGBR, 2008).

A empresa está presente em toda a cadeia de produção do metal, desde a extração de

concentrado até a metalurgia de produtos de zinco (zinco SHG em lingotes, liga de

zinco GA, liga de zinco Zamac, óxido de zinco e pó de zinco), sendo que toda a

produção de concentrado de zinco destina-se a empresas do mesmo grupo. Por outro

lado, a produção de concentrado de zinco da Votorantim Metais é insuficiente para

suprir a sua própria demanda, sendo necessário importar aproximadamente 37% do total

do concentrado consumido. A unidade industrial de Três Marias possui capacidade

produtiva anual de 200 mil toneladas de zinco (2012).

3.2 – HISTÓRICO E CONDICIONANTES DO SISTEMA DE DISPOSIÇÃO DE

REJEITOS DA VOTORANTIM

Com o objetivo de beneficiar o minério de zinco extraído da mina localizada em

Vazante/MG, a Votorantim Metais Zinco – Unidade Três Marias (VMZ-TM), antiga

Companhia Mineira de Metais, foi constituída em 1956 com a implantação da fábrica

situada no município de Três Marias em 1959, que teve início de suas atividades apenas

em 1969 (VOGBR, 2008).

No final de 1970, a VMZ-TM produzia 10 mil t/ano de zinco metálico em lingotes. Em

1972, esta produção já era de 25 mil t/ano. Em 1978, a VMZ-TM passou a produzir

zinco eletrolítico do tipo ‘High Grade’ (HG), com 99,9% de pureza. A produção foi

aumentando gradativamente, passando a 70 mil t/ano em 1990.

Em 2002, quando foi implantado o processo de transformação metalúrgica do zinco em

sistema misto, utilizando o minério silicatado e o minério sulfetado, sua produção

alcançou 180 mil t/ano.

29

No início de suas atividades (1969), a unidade VMZ-TM depositava os rejeitos gerados

pelo tratamento de zinco em pilhas, ao lado da planta industrial, junto à margem direita

do rio São Francisco. As lamas eram filtradas, transportadas por correias até o local de

disposição, onde eram espalhadas e compactadas. Com o objetivo de impedir o

carreamento de sedimentos para o rio São Francisco e minimizar a contaminação do

mesmo, em 1983, foi construído um dique (chamado Barragem Velha ou Dique de

Segurança) entre o depósito existente e o rio.

Entre 1990 e 2007, com a constatação da presença de metais (Zn, Cd, Pb, Mn, Ni e Fe)

e sulfato (SO4) no material que constitui a pilha de rejeitos e no solo de fundação, bem

como de elevadas concentrações de metais no aquífero localizado logo abaixo das

pilhas e próximo ao rio São Francisco, a VMZ-TM deu início ao processo de

desativação da Barragem Velha.

Assim, em 2001, com o objetivo de receber os rejeitos gerados na planta, foi construída

a Barragem Córrego da Lavagem. Em 2002, com o lançamento dos rejeitos no

reservatório da barragem em plena operação, um aumento súbito de vazão no dreno de

pé além de valores anômalos de zinco na água efluente levaram a uma reestruturação

completa do sistema de disposição de rejeitos de zinco da unidade.

Neste propósito, a VMZ fez um acordo com a Agência Nacional de Águas – ANA e a

Secretaria de Estado de Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável – SEMAD/MG

(Limiar, 2007) para sanar de vez os passivos ambientais das barragens, mediante a

implantação de um novo sistema de disposição de rejeitos para a planta industrial de

Três Marias.

O novo sistema, denominado Depósito Murici, foi projetado para armazenar os rejeitos

perigosos da planta industrial da unidade, mediante uma criteriosa observância dos

procedimentos técnicos e ambientais vigentes. O projeto conceitual incluía uma

estrutura com múltiplas bacias de disposição, dimensionadas para o armazenamento dos

rejeitos gerados na própria planta, dos rejeitos previamente acumulados no reservatório

da Barragem da Lavagem, dos rejeitos depositados no passado junto à Fábrica, bem

como dos solos contaminados da área do reservatório da barragem.

30

3.3 – DEPÓSITO DE REJEITOS MURICI

3.3.1 – Concepção e Premissas do Projeto

O Depósito Murici foi projetado para receber os rejeitos gerados no processo de

beneficiamento de zinco da planta industrial e também os rejeitos e solos contaminados

provenientes dos passivos ambientais existentes, correspondentes à Barragem do

Córrego da Lavagem e ao antigo depósito localizado próximo à planta.

A Figura 3.1 apresenta a configuração geométrica do Depósito Murici, no âmbito do

Projeto Conceitual proposto. Para fins de desenvolvimento operacional, as diferentes

bacias de acumulação foram denominadas de ‘depósitos Leste, Central e Oeste’. Uma

quarta etapa do sistema de disposição compreende uma zona de alteamento dos

depósitos central e oeste. O sistema prevê uma disposição distinta de materiais secos e

em polpa nestas bacias, num processo de distribuição controlada ao longo do depósito,

por um período de 17 anos (2011 – 2028).

Figura 3.1 – Conformação do Depósito de Rejeitos Murici

Assim, os rejeitos secos oriundos da Barragem Velha e os solos contaminados da

Barragem Córrego da Lavagem seriam dispostos no módulo Leste. O transporte seria

por caminhões formando uma pilha, construindo-se apenas um dique inicial periférico e

31

em solo compactado. Os demais materiais em polpa, constituídos pelos rejeitos da

Barragem Córrego da Lavagem e pelos rejeitos gerados na unidade industrial seriam

dispostos no módulo Central e Oeste e transportados em forma de polpa através de

rejeitoduto.

A projeção em planta do Depósito Murici abrange uma área de aproximadamente 98 ha.

Para atender ao cronograma de disposição previsto pela VMZ, a implantação do

depósito foi prevista em três fases construtivas:

Fase 1 - construção dos depósitos Leste e Central, tendo a crista dos diques na

cota El. 598 m;

Fase 2 - construção do depósito Oeste, tendo a crista do dique na cota El. 598 m;

Fase 3 - construção de um alteamento para jusante dos depósitos Oeste e Central

da cota 598 m para a cota El. 602 m.

Numa etapa inicial, serão construídos dois diques (El. 598,00), conformando o módulo

Leste e Central (Figura 3.2). Após a exaustão da capacidade do módulo Central, o

terceiro dique deverá ser construído, conformando o módulo Oeste (El. 598,00).

Finalmente, os dois depósitos (Central e Oeste) serão, então, alteados, formando um

único depósito final (El. 602,00), de forma a atender a um volume total de estocagem de

18,6 x 106 m

3 de rejeitos (VOGBR, 2008).

Os diques de contenção foram propostos com alturas variando entre 10 m a 40 m, sendo

constituídos por solos argilosos de baixa permeabilidade. Os taludes externos foram

projetados com inclinação de 1V:1,8H e os internos com inclinação de 1V:2H.

Figura 3.2 – Capacidade de armazenamento de rejeitos do Depósito Murici

32

3.3.2 – Localização e Condicionantes Geológico-Geotécnicos da Área

O depósito Murici foi implantado a aproximadamente 3,5 Km da unidade industrial

VMZ, no município de Três Marias/MG, às margens da Rodovia BR 040 e do Rio São

Francisco, abrangendo uma área de aproximadamente 98 ha (Figura 3.3).

UNIDADE INDUSTRIAL TRÊS MARIASVOTORANTIM METAIS

TRÊS MARIAS

BR 040

RIO SÃO FRANCISCO

LOCAL DE INSERÇÃO DODEPÓSITO MURICI

Figura 3.3 – Localização do Depósito de Rejeitos Murici

A área do Depósito Murici está localizada a nordeste da Fábrica, em face dos

condicionantes do meio físico local e da infraestrutura existente (rio São Francisco a

Norte e NW, a barragem de Três Marias ao Sul e a cidade e a rodovia BR-040 ao Sul e

SE) (Geoconsultoria, 2007). O relevo da região é relativamente plano, com algumas

áreas dissecadas por processos morfoclimáticos associados ao condicionamento

geológico. A vegetação nativa da região é constituída predominantemente pelo cerrado,

incluindo gramíneas, arbustos e árvores de médio porte, com ocorrências de veredas.

Na zona de domínio do empreendimento, foram estudadas cinco áreas distintas,

optando-se, finalmente, pela locação do depósito de contenção de rejeitos em uma área

de encosta de grande extensão, apresentando baixa declividade e com capacidade para

garantir a estocagem dos rejeitos para a vida útil de 17 anos prevista para a planta.

33

A escolha em relação às demais alternativas é devidamente justificada por atender os

seguintes critérios:

depósito de encosta, sem interferências com drenagens locais;

locação a uma distância mínima de 200m de cursos d’ água ou de

quaisquer coleções hídricas;

possibilidade de execução em etapas;

capacidade de armazenamento dos rejeitos por um longo período

(admitido como sendo de 20 anos no projeto conceitual);

distâncias a núcleos populacionais superiores a 500m;

condicionantes geológico-geotécnicos favoráveis;

local com declividade inferior a 20%;

depósito sem canal de cintura;

facilidade de acesso (mediante realocação da estrada de acesso à

Barragem da Lavagem, situada além do empreendimento);

condições ambientais, operacionais e de fechamento mais favoráveis que

as demais alternativas estudadas.

Como desvantagens potenciais, a opção adotada implica a mobilização de grandes

quantidades de materiais para a construção do grande volume de aterro para o dique

inicial e necessidade de utilização de solos adicionais e externos à área da escavação

para revestimento dos taludes da fase final do depósito, além de remanejamento de

pequeno trecho de estrada de terra municipal.

A região apresenta um relevo em padrão de ‘cuestas’ (Limiar, 2007), áreas que são

formadas pela ação da drenagem do rio São Francisco sobre os grandes planaltos

regionais (Figura 3.4), dominados pelas litologias da Formação Três Marias, constituída

por uma sequência de arcóseos cinzas, de granulometria predominantemente fina a

muito fina, intercalados com siltitos cinza-esverdeados e/ou violáceos. A Formação

Três Marias é recoberta discordantemente, de forma erosiva, pela Formação Areado

(Cretáceo Inferior) e por depósitos sedimentares cenozóicos indiferenciados

(Chiavegatto, 1992).

34

Figura 3.4 – Área de implantação do Depósito de Rejeitos Murici

A investigação geotécnica local compreendeu a realização de sondagens a trado,

sondagens a percussão, sondagens mistas e abertura de poços, num total de 143

investigações (Geoconsultoria, 2007). Estas investigações permitiram definir o perfil

geotécnico local em termos do contato solo – rocha e horizontes de saprolito, solo

residual maduro e depósito superficial de colúvio, bem como a posição do lençol

freático à época das investigações (realizadas em janeiro e fevereiro de 2006).

Estes estudos foram complementados por ensaios de permeabilidade in situ e pela coleta

de amostras para execução de ensaios de laboratório, para a caracterização geotécnica

completa dos materiais presentes. Em função desta abrangência e dos quantitativos

executados, a campanha de investigação geotécnica local mostrou-se consistente e

subsidiou de forma adequada as premissas e os critérios adotados em projeto.

O perfil geotécnico local é constituído por um horizonte superior de material argiloso a

argilo - siltoso, de coloração avermelhada a amarelada, com espessura média de

2,5 m, que se sobrepõe a um solo residual siltoso a silto-arenoso, de cor variegada. O

contato solo - rocha é brusco, quase sempre com rocha sã. A investigação geotécnica

mostrou que praticamente toda a espessura de solo local é passível de escavação e

utilização como material de revestimento dos diques.

35

O nível de água foi acompanhado durante a execução das sondagens, que foram

realizadas no período de chuvas, tendo sido definida a posição estabilizada do mesmo.

Em quatro sondagens, o NA foi encontrado na zona de rocha, enquanto, em outras cinco

sondagens, encontrava-se, quase sempre, na base do horizonte de solo, próximo ao

contato com a rocha.

Com base no levantamento dos quantitativos e dos resultados dos ensaios realizados na

área, foram quantificados 94 valores de condutividades hidráulicas dos materiais

presentes, sendo 11 obtidos no colúvio, 30 no solo residual maduro, 36 no saprolito e

outros 17 em rocha.

O projeto conceitual impôs a regularização completa do fundo e dos taludes do

depósito, visando a implantação de um sistema de barreiras para controle de fluxo

posterior. Para respeitar o topo rochoso identificado nas sondagens e a posição

detectada do NA local, impôs-se a necessidade de se prever um fundo do reservatório

inclinado, no sentido do Córrego Retiro Velho. Por outro lado, a conformação proposta

implicou a necessidade de remoção dos solos mais superficiais para geração de volumes

de revestimento condizentes com as dimensões do empreendimento.

No projeto conceitual apresentado, os limites críticos da escavação avançam em relação

às camadas mais superficiais até o saprolito (caso geral), preservando-se uma distância

mínima de 2,0m em relação ao NA local, tendo sido atendida a espessura mínima de

1,5m de solos não saturados, conforme a especificação b do Item 4.1.2 da Norma NBR

10157.

Nestas condições, a referência hidráulica do subsolo local constitui a camada de

saprolito, desconsiderando-se os horizontes mais superficiais do mesmo nas zonas em

que o nível de escavação avança além destes limites. Do total dos ensaios (17)

realizados nesta camada, inseridos no âmbito dos horizontes de escavação previstos,

76,5% dos valores (ou seja, 13 resultados) enquadram-se tipicamente na faixa de

valores da ordem ou inferiores a 5,0 x 10-5

cm/s, compreendendo uma faixa que se

estende desde 1,81 x 10-4

cm/s até 2,36 x 10-6

cm/s (Gomes, 2008).

36

Por outro lado, a condutividade hidráulica da rocha local é da ordem de 2,5 x 10-5

cm/s

(média de 17 medidas). Neste contexto, o aterro foi executado em uma área com

predominância de materiais com coeficientes de permeabilidade inferiores ao valor

referenciado como mínimo admissível pela especificação c do Item 4.1.2 da Norma

NBR 10157.

Uma vez escolhida a alternativa para a área da disposição dos rejeitos, a geometria e

arranjo do depósito foram analisados contemplando três diferentes alternativas, em

função das potenciais interferências com terceiros na parte alta da área e com a linha de

drenagem do vale, na parte baixa da mesma (Tabela 3.1). Estas alternativas foram,

então, comparadas e analisadas em termos das respectivas capacidades de estocagem e

das correlações ‘volume do aterro versus volume de armazenamento’ mais adequadas.

Tabela 3.1 – Opções para Arranjo e Geometria do Depósito Murici (Geoconsultoria, 2007)

Para a implantação do depósito, foi escolhida a opção B e os rejeitos de zinco

começaram a ser lançados no Depósito Central em 06/2011 e no Depósito Leste em

08/2011. O Depósito Oeste constitui atualmente apenas uma potencial opção de projeto

(a empresa desenvolve inclusive um projeto de beneficiamento dos rejeitos para geração

de materiais pozolânicos). A Figura 3.5 apresenta uma vista geral do Depósito Murici

na operação atual.

37

Figura 3.5 – Depósito de Rejeitos Murici: Módulos Leste e Central

3.4 – SISTEMA DE BARREIRAS DO DEPÓSITO DE REJEITOS

3.4.1 – Natureza e Características dos Rejeitos

Os materiais depositados no Depósito Murici, conforme exposto previamente, são

compostos de diferentes origens e naturezas (Geoconsultoria, 2007; Limiar, 2007):

• rejeitos dispostos na Barragem Córrego da Lavagem;

• rejeitos dispostos ao lado da planta metalúrgica;

• rejeitos que ainda serão gerados na produção industrial e;

• rejeitos industriais, que hoje são dispostos no aterro industrial, sendo eles: resíduos de

cadinho, pedra volatilizada, tijolo antiácido, tijolos refratários, sulfato de cálcio, entulho

civil e bióxido de Mn (os rejeitos industriais não foram inseridos nas análises de forma

geral, pois representam apenas uma pequena parcela do total dos rejeitos gerados).

Os rejeitos da planta industrial e dispostos nas barragens são compostos por lama

terciária e resíduo de pH 9, ambos em forma de polpa, apresentando um teor de sólidos

da ordem de 23%. São materiais de granulometria muito fina, com mais de 80%

passante na peneira 400 (Tabela 3.3)

38

Tabela 3.2 – Características granulométricas dos rejeitos de zinco (VMZ –Três Marias)

Malha # % Retida % Passante

60 1,14 98,86

100 4,66 95,34

170 9,91 90,09

200 11,19 88,10

325 16,97 83,03

400 18,69 81,31

Os rejeitos são classificados como Classe I (perigoso), segundo a norma NBR 10.004,

devido às grandes quantidades de zinco, manganês, cádmio, fluoreto e chumbo solúveis

contidos (Tabela 3.3).

Tabela 3.3 – Características químicas dos rejeitos de zinco (VMZ –Três Marias)

Parâmetros Limite Máximo no Extrato

(mg/L) Resultados (mg/L)

Bário 0,70 0,18

Cádmio 0,005 7,80

Chumbo 0,01 0,73

Cloreto 250,0 9,40

Cobre 2,00 0,16

Ferro 0,30 0,11

Fluoreto 1,50 5,90

Manganês 0,10 132,0

Nitrato (nitrogênio) 10,0 4,10

Sulfato 250,0 7.066,00

Zinco 5,0 2.010,0

Sódio 200,00 15,10

3.4.2 – Natureza e Características do Sistema de Barreiras

Por se tratar de rejeito de Classe I, o Depósito Murici deve garantir uma completa

estanqueidade, mediante a incorporação de uma camada mínima de solo não saturado de

1,50m inserida no fundo do depósito e acima do NA crítico do terreno. Com relação às

39

especificações das normas brasileiras e europeias, são feitas as seguintes considerações

adicionais em relação ao sistema de barreiras destas estruturas:

a barreira de fluxo deve ser composta por uma geomembrana de PEAD com

permeabilidade da ordem de 10-12

cm/s e por uma camada de solo compactado

com permeabilidade inferior a 10-7

cm/s e espessura de 0,60m;

a barreira de fluxo deve estar assentada sobre base regularizada de fundação;

a barreira de fluxo deve contemplar sistemas de drenagem para coleta e remoção

dos efluentes líquidos percolados e sistema de detecção de eventuais

vazamentos;

a barreira de fluxo deve se estender por toda a área do depósito, impedindo, ao

longo de todo o domínio de acumulação, o livre contato dos rejeitos

contaminantes com o solo natural;

a barreira de fluxo deve atender integralmente os pré-requisitos mínimos de uma

estrutura desta natureza, como exigidos pela Norma NBR 10157 e pela

‘Directiva Europeia’ 1999/31/CE.

O sistema de barreiras originalmente previsto era constituído por uma barreira do tipo

composta (Figura 3.6), que conjugava uma GBR–P de PEAD de 1,5mm de espessura e

uma camada de solo compactado de 0,60m de espessura (Gomes, 2008). Este sistema

incluía ainda dispositivos para proteção da GBR–P e a inserção de um sistema para

detecção de eventuais vazamentos.

Figura 3.6 – Concepção Original do Sistema de Barreiras do Depósito Murici:

GM: geomembrana de PEAD com 1,5 mm de espessura; SC: solo compactado com

0,60m de espessura; SDV: sistema de detecção de vazamentos, com 0,20m de

espessura; CR: camada de regularização da base, com 0,20m de espessura

40

Nos taludes de aterro e internos aos diques, o projeto previa a instalação da

geomembrana de PEAD, enquanto que, nos taludes de corte, o revestimento deveria

contemplar uma camada de solo compactado, com 4,0 m de espessura com cobertura

por geomembrana.

Em relação à configuração proposta, Gomes (2008) apresentou as seguintes

considerações adicionais:

a camada de argila compactada tem a função de segunda camada de barreira,

atuando no sentido de conter ou atenuar possíveis vazamentos decorrentes de

potenciais imperfeições de fabricação ou de danos de instalação ou de operação

das geomembranas em campo;

na configuração proposta, ao se inserir o sistema de detecção de vazamentos

após a camada de argila compactada, há que se ter em conta que tal detecção só

será efetivamente constatada após a completa dissipação dos percolados através

da camada, o que poderá demandar um período de tempo que venha a

comprometer a adoção de medidas imediatas de remediação do problema; neste

sentido, uma proposição seria a inserção da camada de argila compactada na

base do sistema de barreira;

no contexto de que, quanto mais efetiva e rápida for a detecção, mais efetivas

deverão ser as medidas de remediação, sugere-se a inserção de uma segunda

geomembrana imediatamente abaixo do sistema de detecção de vazamentos,

evitando-se, desta forma, interferências do fluxo pela camada de regularização

da base;

por outro lado, como é praticamente impossível garantir a plena estanqueidade

da geomembrana durante toda a vida útil do empreendimento, recomenda-se a

adoção de um segundo sistema de barreiras sob a geomembrana de topo, na

forma de um geocomposto argiloso (GCL), para se contar com os efeitos

extremamente benéficos de autocicatrização inerentes à camada de bentonita

incorporada ao mesmo;

41

na concepção de uma camada de base e barreira final, a camada de argila

compactada pode ser entendida como barreira de contenção e atenuação após

duas outras interfaces plenas de barreiras; neste contexto, a sua espessura pode

ser reduzida ao mínimo prescrita pelas normas (0,50m), aliviando-se a obtenção

de volumes adicionais de solos para compactação e compensando-se custos com

adoção de materiais sintéticos em arranjos alternativos;

o sistema alternativo proposto configura-se apenas como uma sugestão para

otimização do sistema de barreiras proposto a nível de projeto final, sendo

possível outras variantes e concepções, a critério da empresa projetista, sem

comprometimento da eficiência global e mediante uma adequada análise dos

custos envolvidos.

O sistema de barreiras de fluxo adotado no Depósito Murici é composto por uma dupla

camada de barreiras, tanto para a área de fundo quanto para os taludes internos. Assim,

o sistema de barreiras de fluxo do fundo é composto, de cima para baixo, pelas

seguintes interfaces (Figura 3.7):

Figura 3.7 – Sistema de Barreiras do Depósito Murici

1ª camada de geomembrana de PEAD (polietileno de alta densidade) com

espessura de 1,5 mm;

42

camada de solo argiloso compactado com 0,60 m de espessura,

correspondendo à 2ª camada de barreira;

camada de areia com 0,30 m de espessura, com tubos perfurados, para

funcionar como camada de detecção de vazamentos;



camada de solo argiloso compactado com 0,40 m de espessura,

correspondendo à 4ª camada de barreira.

O sistema de barreiras dos taludes é similar para todos os módulos do depósito (Figura

3.7), exceto para a porção superior dos taludes internos, que tendem a ficar expostas por

longos períodos de tempo e cujas geomembranas serão emendadas aos trechos

adicionais lançados sobre os taludes alteados, sendo composto por:



Camada de geocomposto drenante;



Camada de geocomposto bentonítico (GCL).

Para permitir a identificação da origem do problema, o sistema de detecção de

vazamentos é dividido em células, com redes de drenagem independentes e separadas

por leiras de solo compactado. A coleta de todas as células é direcionada a uma caixa de

concreto instalada estrategicamente para fácil acesso e aferição. No caso de vazamentos,

o percolado coletado nas caixas de detecção é bombeado novamente para o depósito

(VOGBR, 2008).

O sistema de drenagem de percolado implantado sobre o sistema de barreiras é

composto por uma camada de areia de 30 cm, na qual foi instalada a rede de drenagem

formada por tubos perfurados e corrugados, distribuídos em espinha de peixe que

escoará o líquido percolado até o sistema de captação. A captação do sobrenadante é

feita através de bomba em balsa flutuante, da qual o percolado é encaminhado para

estação de tratamento através de tubulação (VOGBR, 2008). A Figura 3.8 mostra uma

visão geral do depósito durante a construção do sistema de barreiras de fluxo.

43

Figura 3.8 – Vista geral da fase construtiva do Sistema de Barreiras do Depósito Murici

44

CAPÍTULO 4

ENSAIOS DE REFERÊNCIA


Numa abordagem de avaliação do comportamento da durabilidade de geomembranas

em sistemas de disposição de rejeitos contaminantes, os efeitos deletérios da degradação

química (comumente associados aos efeitos de radiações UV em uma dada fase da obra)

resultam basicamente dos seguintes mecanismos: (i) amolecimento e perda das

propriedades físicas por despolimerização e cisão molecular; (ii) enrijecimento e

fragilização devido à perda de plastificantes e aditivos; (iii) redução das propriedades

mecânicas e aumento da permeabilidade e (iv) ruptura das emendas da geomembrana

(Haxo e Nelson, 1984). Em geral, estes efeitos são incrementados pelas tensões

mecânicas induzidas pelo aumento dos volumes de rejeitos estocados.

Com efeito, as geomembranas, quando instaladas em aterros sanitários ou reservatórios

de rejeitos, podem sofrer diversos tipos de esforços. Além de esforços de natureza física

e química, podem atuar nas geomembranas os esforços mecânicos induzidos durante a

sua instalação e vida útil, que podem causar problemas e comprometer o desempenho e,

assim, a sua própria durabilidade.

Para Matheus (2002), a ruptura da geomembrana pode ser condicionada pelos seguintes

esforços:

a) As geomembranas podem ser perfuradas com o lançamento de agregado, de

rejeito, queda de ferramentas, além de outros elementos;

b) Quando apoiada em suporte rígido trincado ou em superfície granular, as

pressões exercidas por líquidos e sólidos contidos sobre a geomembrana, podem

provocar rompimento por estouro;

45

c) A instalação de revestimento de proteção sobre a geomembranas ancorada em

taludes muito inclinados ou com deformações excessivas devido a recalques

diferenciais das superfícies de suporte podem induzir o aparecimento de

esforços tangenciais ocasionando uma possível ruptura por tração;

d) Partículas sólidas no líquido contido, tráfego, ação de ondas e o efeito de

variação de volume dos revestimentos rígidos (concreto, argamassas, etc.)

podem ocasionar desgaste por abrasão;

e) Líquidos ou gases podem ocasionar subpressões e gerar ruptura por tração.

Além de todos os esforços citados, podem atuar ainda nas geomembranas esforços

decorrentes do peso próprio ou do rejeito a ser estocado, esforços por dilatação térmica

e efeitos de recalques ou de arraste provocado por deslizamento do rejeito ou da

cobertura, dentre outros. A espessura da geomembrana será determinada em função

dessas solicitações (Holtz et al., 1995; Koerner, 2005).

4.2 – ESFORÇOS ATUANTES EM GEOMEMBRANAS

A solicitação mais comum é referente aos recalques do solo de fundação e o arraste da

geomembrana. Os procedimentos de projeto apresentados resumidamente a seguir são

aqueles detalhados e exemplificados em Gomes (2012). Na ocorrência de um recalque

δ, forças normais à superfície induzem esforços de tração que mobilizam uma extensão

da geomembrana (Figura 4.1).

Figura 4.1 - Esforços de tração em uma geomembrana (Gomes, 2012)

46

sendo:

Tadm: tensão admissível na geomembrana;

: comprimento de mobilização;

Fσs: força cisalhante sobre a geomembrana, devido ao peso do solo de cobertura;

Fσi: força cisalhante sob a geomembrana, devido ao peso do solo de cobertura;

FTi: força cisalhante sob a geomembrana, devido à componente vertical de Tadm.

De acordo com a Figura 4.1, tomando-se o equilíbro das forças atuantes nas direções y e

x, respectivamente, tem-se que:

0Fy

senTadm

2

senTadm2

0Fx

Tiisadm FFFT cos

iadm

isadm tgsenT

tgtgT

25,0)()(cos

relação que permite a determinação do comprimento de mobilização por:

is

iadm

tgtg

tgsenT

cos (4.1)

Quando as geomembranas são lançadas em superfícies inclinadas, elas devem ser

ancoradas para não deslizar, sob a ação dos esforços que atuam sobre a mesma. Na

Figura 4.2, é apresentada a situação em que a ancoragem é proporcionada apenas pela

simples extensão de um comprimento adicional da geomembrana.

Figura 4.2 - Ancoragem simples da geomembrana (Gomes, 2012)

47

Neste caso, a determinação da espessura da geomembrana é obtida da seguinte forma:

is

iadm

tgtg

tgsenT

cos

admadmT

iadm

isGM

tgsen

tgtgt

cos

(4.2)

Para a determinação do comprimento de mobilização, calcula-se a sobrecarga atuante

sobre a geomembrana e adota-se uma espessura de referência. Com o auxílio de

gráficos como o da Figura 4.3, determina-se o comprimento de mobilização

correspondente.

Figura 4.3 - Comprimentos típicos de mobilização para geomembranas PEAD

(Koerner, 2005)

Outra forma de ancoragem consiste na inserção da geomembrana em uma trincheira

escavada na borda do talude, como ilustrado na Figura 4.4.

Figura 4.4 - Ancoragem da geomembrana em trincheira (Gomes, 2012)

48

No caso da ancoragem em uma trincheira, surgem esforços adicionais desenvolvidos

pelos empuxos passivos e ativos sobre a geomembrana (Figura 4.5).

Figura 4.5 - Diagrama de esforços em geomembranas ancoradas (Gomes, 2012)

Da condição de equilíbrio na direção horizontal, tem-se que:

0Fx

aPTiisadm EEFFFT cos

Sabendo-se que:

TaTTaTTaa dkddkddkE

2

1

2

1

TpTP dkdE

2

1

e sendo:

: peso específico do solo na trincheira;

dT: profundidade da trincheira;

kp: coeficiente de empuxo passivo;

ka: coeficiente de empuxo passivo;

E = Ep- Ea

resulta que:

TapT dkkdE

2

1 (4.3)

Dessa equação, resultam as duas incógnitas, dT e ; arbitrando-se um valor para ,

obtém-se o valor correspondente para dT.

49

A quantificação dos efeitos de degradação das geomembranas ao longo da vida útil dos

depósitos de rejeitos tende, assim, a ser feita comumente com base em ensaios de

referência baseados em processos mecânicos, adotando-se propriedades - índices, cujos

valores são monitorados em condições de longo prazo. Estas propriedades incluem, por

exemplo, a resistência à tração, alongamentos na ruptura ou resistências ao

puncionamento.

Por outro lado, várias propriedades das geomembranas são muito sensíveis às variações

de temperatura, decorrentes principalmente da perda de componentes voláteis como os

aditivos solventes e os plastificantes. Estas perdas são definidas por diferentes estágios

em função dos tempos de exposição (Figura 4.6):

Estágio A (fase de anti-oxidação): ação dos aditivos estabilizantes;

Estágio B (fase de indução): oxidação incipiente do geossintético com perda da

ação dos aditivos estabilizantes;

Estágio C (fase da oxidação): degradação intensa das propriedades físicas e

mecânicas do geossintético (função das temperaturas)

Figura 4.6 – Influência da temperatura nas propriedades das geomembranas

(Müeller e Jacob, 2003)

Neste sentido, os efeitos de degradação de geomembranas em depósitos de rejeitos

podem ser avaliados também, de forma bastante prática, por meio de processos térmicos

como, por exemplo, as técnicas DSC (calorimetria diferencial de varredura) e OIT

(tempo de indução indutiva). As propriedades mecânicas e térmicas indicadas no escopo

da metodologia proposta neste trabalho são descritas a seguir.

50

4.3 – PROPRIEDADES MECÂNICAS PARA ANÁLISES DE DURABILIDADE

4.3.1 – Resistência à Tração

O ensaio mais usual para a determinação das propriedades mecânicas de uma

geomembrana é o de resistência à tração. Apesar das várias configurações de ensaios e

de corpos de prova, os ensaios unidirecionais são os mais comuns. Nestes ensaios, as

extremidades dos corpos de prova são presos em um par de garras metálicas e

tracionados em máquinas universais de ensaios, a uma velocidade de 50 mm/min,

enquanto são registradas as deformações até a ruptura. A partir dos resultados obtidos,

expressos por curvas que correlacionam forças de tração por unidade de largura versus

deformação axial, podem ser obtidos os módulos de rigidez correspondentes do

material.

Os ensaios de tração podem ser basicamente de dois tipos: ensaios-índices para controle

de qualidade do produto ou ensaios de desempenho, com características representativas

para a determinação de parâmetros de projeto. No primeiro caso, incluem-se os ensaios

em faixa estreita (corpos de prova com dimensões 50 mm x100 mm) ou com corpos de

prova na forma de halteres (Figura 4.7). Para geomembranas com espessuras inferiores

a 1,0mm, recomenda-se a aplicação das normas ASTM D 882 ou ISO 527; para

geomembranas de maiores espessuras, são recomendadas as normas ASTM D 638 ou

ISO 527 (Bueno e Vilar, 2004).

Figura 4.7 – Corpos de prova típicos para ensaios-índices de tração

51

No caso de geomembranas de PEAD, o comportamento tensão-deformação é definido

por um pico característico para baixas tensões, tipicamente da ordem de 15% (Figura

4.8). Este ponto da curva define a chamada ‘tensão de escoamento’ que constitui um

parâmetro característico do ensaio.

Na continuação do ensaio, o alongamento crescente do corpo de prova implica na

redução da sua seção transversal e, consequentemente, uma queda dos valores das

tensões medidas, para taxas constantes de deformação. Com o rearranjo das cadeias

poliméricas, as tensões passam a aumentar continuamente até a condição de ruptura, sob

deformações de 700% a 1200% ou até maiores.

Figura 4.8 – Comportamento tensão - deformação de geomembranas de PEAD

Para restringir a tendência de contração lateral na zona central do corpo de prova

durante os ensaios de tração e, assim, obter resultados mais representativos do

comportamento real das geomembranas em campo, são utilizados corpos de prova com

larguras maiores que os comprimentos, tipicamente 200 mm x 100 mm ou 500 mm x

100 mm (Figura 4.9) e, por isso, o método é designado por ‘ensaio de tração de faixa

larga’ (ASTM D 4595).

52

Estes ensaios ‘tensão - deformação’ permitem a determinação de vários parâmetros

mecânicos dos geossintéticos, tais como a resistência à tração, o alongamento na força

máxima e a rigidez secante ou a robustez do material.

Figura 4.9 – Ensaio de tração unidirecional em faixa larga

Podem ser utilizados diferentes tipos de garras, em função da natureza e características

dos materiais a serem ensaiados. As garras devem ser suficientemente largas para

abranger toda a largura dos corpos de prova e devem impedir o deslizamento dos

mesmos durante o ensaio. Para monitorar a possibilidade de deslizamentos durante o

ensaio, devem ser desenhadas duas linhas ao longo de toda a largura do corpo de prova

junto às margens das garras.

Em geral, são utilizadas as garras de natureza compressiva, mas em alguns casos,

principalmente devido a deslizamentos excessivos, podem ser usadas garras cilíndricas.

Os corpos de prova devem ser colocados centrados ao longo das garras e o alinhamento

ao longo do seu comprimento deve ser paralelo à direção de aplicação das forças.

4.3.2 – Resistência ao Rasgo

Outra propriedade mecânica potencialmente interessante para estimar o comportamento

da geomembrana em obras geotécnicas é o ensaio de resistência ao rasgo que consiste

basicamente na medição da força necessária para promover a propagação de um rasgo

previamente efetuado num corpo de prova de geomembrana.

53

O equipamento utilizado nos ensaios de rasgo é o mesmo utilizado para a realização dos

ensaios de tração e os corpos de prova podem ser fixados por garras de compressão

hidráulica, pneumáticas ou garras em cunha metálica; analogamente ao caso anterior, as

garras devem impedir o deslizamento dos corpos de prova durante o ensaio, sem os

danificar.

De acordo com os procedimentos da norma ASTM D 4533, o corpo de prova tem forma

trapezoidal, no qual é feita uma incisão de 12 mm perpendicular ao menor lado (Figura

4.10). As forças são aplicadas até o rasgo completo do corpo de prova e a resistência ao

rasgamento é definida, então, pelo valor da força máxima aplicada.

Figura 4.10 – Corpo de prova típico e arranjo do ensaio de resistência à propagação do

rasgo

Outras variantes do ensaio utilizam corpos de prova cortados por um ângulo de 90 graus

em sua porção central, o qual é submetido a esforços até o rasgamento (normas ASTM

D 1004, por exemplo). São ensaios sem grandes atrativos do ponto de vista da definição

de parâmetros de projeto, mas que apresentam um potencial de aplicabilidade muito

grande como instrumento de avaliação do comportamento de geomembranas in situ,

pelo caráter relativo das medições efetuadas de maneira simples e de forma bastante

controlada em laboratório.

54

4.3.3 – Resistência ao Puncionamento

A resistência ao puncionamento pode ser determinada por meio de ensaios estáticos ou

dinâmicos (normas ASTM D 4833 e 1424, respectivamente). No primeiro caso, o ensaio

consiste na aplicação, a velocidade constante, de esforços estáticos induzidos por uma

haste ou um pistão padronizado (Figura 4.11) que é pressionado sobre um corpo de

prova de geomembrana posicionado sobre uma base vazada. O equipamento utilizado

para a realização dos ensaios de puncionamento estático é o mesmo usado para os

ensaios de tração e rasgamento, neste caso operando sob esforços de compressão.

Figura 4.11 – Arranjo típico do ensaio de puncionamento estático

Durante o ensaio, o pistão avança continua e perpendicularmente através do corpo de

prova a uma velocidade constante de 50 ± 10 mm/min, até ocorrer a ruptura do mesmo,

sendo que a base tem que garantir uma efetiva fixação e impedir quaisquer

deslizamentos do corpo de prova ensaiado. Os valores da força de pressão aplicada e do

deslocamento correspondente são continuamente registrados durante o ensaio.

Os resultados obtidos a partir de um ensaio de puncionamento estático incluem

normalmente o valor médio da força de puncionamento máxima (resistência ao

puncionamento da geomembrana) e o valor médio do deslocamento para a força

máxima registrada, para o conjunto de corpos de prova ensaiados, bem como os

respectivos valores de desvio padrão e/ou coeficientes de variação. A resistência ao

55

puncionamento dos geossintéticos após a exposição aos vários agentes de degradação

pode ser expressa em termos de resistência residual (em %), obtida pela relação entre as

resistências ao puncionamento das amostras expostas e das amostras de referência (não

expostas).

No ensaio dinâmico, o efeito do puncionamento é dado pelo diâmetro do furo causado

ao corpo de prova posicionado na base do equipamento mediante a queda livre de um

cone padronizado de 550g de uma altura de 500 mm (Figura 4.12). Mede-se o diâmetro

do furo através da introdução no mesmo de um cone graduado. O cone graduado mede

o diâmetro do furo até 50±0,1 mm, apresenta um comprimento de 200±0,1mm e cada

divisão do mesmo corresponde um incremento do diâmetro de 2 mm.

Figura 4.12 – Arranjo típico do ensaio de puncionamento dinâmico

4.4 – PROPRIEDADES TÉRMICAS PARA ANÁLISES DE DURABILIDADE

Os processos térmicos compreendem a aplicação de técnicas que permitem medir as

variações ao longo do tempo de uma dada propriedade física da geomembrana em

função de variações de temperatura, impostas à mesma sob condições controladas. Estas

técnicas implicam a utilização de quantidades muito reduzidas de amostra, mas exigem

56

aparatos instrumentais específicos e de custos elevados constituindo, portanto,

procedimentos especiais e não rotineiros. Na presente pesquisa, foram utilizados os

ensaios DSC (Calorimetria Diferencial de Varredura) e OIT (Tempo de Oxidação

Indutiva) para geomembranas de PEAD e serão estas, portanto, as únicas técnicas

descritas no âmbito destes estudos.

4.4.1 – Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)

A técnica de DSC constitui uma metodologia muito útil para a determinação da

temperatura de transição vítrea (Tg), temperatura de cristalização (Tc), temperatura de

fusão (Tm) e variação da entalpia de fusão e de cristalização de geomembranas, baseada

na imposição de um fluxo contínuo de calor a taxa constante sobre a amostra a ser

ensaiada.

Num forno de elevadas temperaturas, dois cadinhos metálicos são dispostos sobre uma

base de um metal altamente condutor, geralmente platina (Figura 4.13). A amostra e a

referência (material inerte) são então aquecidas pelo mesmo sistema de fornecimento de

fluxo de calor (Canevarolo, 2003).

Figura 4.13 – Esquema geral do Ensaio DSC

Ao longo do programa de aquecimento, as temperaturas da amostra e da referência se

mantêm iguais até que ocorra alguma alteração física ou química na amostra. Se a

reação for exotérmica, a amostra irá liberar calor, ficando por um curto período de

57

tempo, com uma temperatura maior que a referência. Do mesmo modo, se a reação for

endotérmica a temperatura da amostra será temporariamente menor que a referência.

Cada vez que a amostra reage, um fluxo de energia se estabelece entre os cadinhos

através da base de platina. O fluxo é então mensurado através dos sensores de

temperatura (termopares) posicionados sob cada cadinho, obtendo assim um sinal

proporcional à diferença de capacidade térmica entre a amostra e a referência.

O registro gráfico da técnica DSC é expresso em termos de fluxo de calor dividido pela

massa da amostra (mW/mg) em função das temperaturas (°C) ou tempos (min), de

modo que a curva obtida não é afetada pela massa que compõe o cadinho. Transições de

primeira ordem (endotérmicas ou exotérmicas) são caracterizadas como picos, que

definem as temperaturas de referência (Figura 4.14). A área do pico diretamente sob a

curva mW/mg é proporcional à entalpia ∆H envolvida no processo.

Figura 4.14 – Curva típica do Ensaio DSC e temperaturas de transição

Transições de segunda ordem (como a temperatura de transição vítrea Tg) implicam

alterações na linearidade da curva, que são geralmente chamadas de ‘degraus’ e isto

ocorre porque não há mudança na entalpia como em reações de fusão ou cristalização,

mas somente uma mudança na capacidade calorífica do sistema.

A temperatura de transição vítrea também é um fenômeno cinético: quanto maior a taxa

de aquecimento aplicada, mais visível será a sua caracterização na curva DSC, ou seja,

o degrau característico da curva poderá ser mais bem visualizado. Assim, altas taxas de

aquecimento deslocam o valor de Tg para valores mais elevados de temperatura.

58

4.4.2 – Tempo de Oxidação Indutiva (OIT)

Esta técnica implica a determinação do tempo necessário para que uma dada amostra de

geomembrana seja oxidada sob temperatura e pressão conhecidas e esse tempo (valor

OIT), portanto, constitui uma medida indireta da concentração dos antioxidantes

presentes na amostra (específicos de cada material).

Em função das condições de temperatura e pressão, o ensaio pode ser realizado por dois

métodos: ensaio padrão (Std - OIT) que utiliza temperatura de 200˚C e pressão de

35kPa e o ensaio de alta pressão (HP - OIT) que utiliza a temperatura de 150˚C e

pressão de 3500 kPa. Esses ensaios são prescritos pelas normas ASTM D 3895 e ASTM

D 5885, respectivamente.

Na prática, utilizam-se dois métodos diferentes: testes OIT dinâmicos e isotérmicos. Na

técnica dinâmica, a amostra é aquecida a uma taxa de aquecimento constante definida,

até que se inicie a reação. Em testes OIT isotérmicos, o material é previamente aquecido

sob atmosfera de gás inerte e, em seguida, mantido a uma temperatura constante durante

vários minutos, até se estabelecer o equilíbrio, e subsequentemente exposto a uma

atmosfera oxidante (ar ou oxigênio).

O intervalo de tempo entre o primeiro contato com o oxigênio até a completa oxidação

do material é chamado de Tempo de Oxidação Indutiva OIT. Este parâmetro é indicado

na Figura 4.15, num exemplo de ensaio realizado acoplado à técnica DSC.

Figura 4.15 – Determinação do Tempo de Oxidação Indutiva (OIT) no Ensaio DSC

59

Como as normas para a realização desses ensaios não especificam valores mínimos de

OIT para geomembranas, adotam-se comumente as recomendações prescritas na norma

GRI GM13. Assim, para geomembranas lisas ou texturizadas, independentemente da

espessura, o tempo de oxidação mínimo admissível é de 100 minutos para o ensaio

padrão (Std - OIT) e de 400 minutos para ensaios em elevadas pressões (HP - OIT).

60

CAPÍTULO 5

METODOLOGIA PROPOSTA: ENSAIOS E ESTUDO DE CASO


Para a aferição dos efeitos de degradação e de envelhecimento das geomembranas com

o tempo, em função da exposição direta aos rejeitos de zinco estocados no depósito,

buscou-se estabelecer uma metodologia de controle que apresentasse características de

acurácia e praticidade, combinadas em um elenco de ensaios com padrão definido e de

execução periódica, em intervalos de tempo específicos, e sob uma perspectiva de

correlação sistemática da magnitude da variação das propriedades-índices avaliadas ao

longo do tempo.

É evidente que uma proposição dessa natureza demande um longo período de medições

para se tornar consolidada e avaliativa. Igualmente relevante é que as amostras

ensaiadas a diferentes tempos sejam expostas e manuseadas de forma análoga e

mediante procedimentos similares. Neste sentido, a coleta de amostras exumadas em

tais reservatórios constitui alternativa praticamente inviável; na exceção de zonas

acessíveis das geomembranas em campo, estas não incorporam as reais condições da

exposição in situ ou não permitem a reprodução uniforme dos procedimentos de coleta

em diferentes intervalos de tempo. Por outro lado, não é prática real a implantação de

‘mostruários de desempenho’ em tais projetos, entendidos como dispositivos contendo

várias amostras de geomembranas do sistema de barreiras do depósito, imersas na polpa

de rejeitos, passíveis de coleta em diferentes intervalos de tempo.

Neste sentido, a proposta deste trabalho é baseada na implantação de dispositivos desta

natureza, como premissa de projeto de sistemas de barreiras de rejeitos potencialmente

contaminantes, e na formulação de campanhas experimentais em laboratório capazes de

aferir a variação de propriedades-índices da geomembrana exposta aos rejeitos, ao

61

longo do tempo, sob os referidos critérios de efetividade e praticidade. Neste propósito,

foram definidas séries de ensaios mecânicos e térmicos, abrangendo ensaios de

resistência à tração, resistência ao rasgo, resistência ao puncionamento, ensaios tipo

DSC e OIT, adotando-se análises de correlações dos resultados a partir de amostras de

referência (não expostas aos rejeitos) e de amostras imersas nos rejeitos de zinco.

A metodologia proposta foi implantada e está sendo aplicada a um projeto real, no caso

o Depósito Murici de rejeitos de zinco da unidade VMZ Três Marias. Como o período

de observação e monitoramento tende a se estender por toda a vida útil do

empreendimento, conclui-se por uma natural perda de ênfase nos resultados no espaço

restrito de tempo do escopo dessa pesquisa.

5.2 – ‘MOSTRUÁRIO DE DESEMPENHO’

O chamado ‘mostruário de desempenho’ foi preparado com geomembranas de PEAD,

de 1,5mm de espessura e texturizada em uma das faces, utilizadas como elementos do

sistema de barreiras do Depósito de Rejeitos Murici da unidade da VMZ – Três Marias.

A geomembrana foi cortada em vinte e duas amostras com dimensões de 60 cm x 60

cm, sendo duas tomadas de imediato como amostras de referência enquanto que outras

vinte amostras foram imersas no rejeito, constituindo o ‘mostruário de desempenho’

propriamente dito.

O dispositivo constitui basicamente um pórtico de PVC para alocação e fixação das

amostras de geomembrana (Figura 5.1a), ajustadas ao suporte e devidamente

identificadas (Figura 5.1b). O pórtico foi, então, posicionado no fundo do depósito de

rejeitos e em área de fácil acesso posterior por barco (Figura 5.2a). Todo o conjunto foi

protegido da incidência da radiação solar (Figura 5.2b) por uma cobertura adequada,

leve como o próprio pórtico, ambos capazes de flutuarem livremente com a ascensão do

nível do reservatório.

62

(a)

(b)

Figura 5.1 – ‘Mostruário de desempenho’ das geomembranas-testes: (a) pórtico de

fixação; (b) Geomembranas fixadas e numeradas.

(a)

(b)

Figura 5.2 – ‘Mostruário de desempenho’ das geomembranas-testes: (a) posicionamento

inicial no campo; (b) posicionamento no reservatório.

No contexto das análises previstas, as amostras foram coletadas nos seguintes intervalos

de tempo: 1 mês, 2 meses, 3 meses, 6 meses, 9 meses e um ano (limite do tempo de

observação da presente pesquisa) após imersão das geomembranas no lago de rejeitos

de zinco. As amostras foram sempre coletadas em duplicidade para a realização dos

ensaios previstos, utilizando-se sempre uma sistemática simples, mas repetitiva, para a

sua remoção do pórtico, acondicionamento, proteção e encaminhamento para os testes

em laboratório. Esta sistemática será adotada para as amostras restantes, com intervalos

de tempo de imersão nos rejeitos de 2 anos, 5 anos, 10 anos e ao final de vida útil do

reservatório, sob os cuidados e responsabilidades da própria empresa.

63

5.3 – METODOLOGIA DOS ENSAIOS MECÂNICOS E TÉRMICOS

5.3.1 – Ensaios de Resistência à Tração

O ensaio de tração foi realizado conforme a norma ASTM D6693, utilizando corpos de

prova com a forma de haltere. Essa norma especifica realizar os ensaios nas direções

longitudinal e transversal, de acordo com a direção da textura na amostra de

geomembrana.

Para a realização do ensaio de tração, utilizou-se uma máquina universal de ensaios da

marca EMIC, modelo DL-1000, equipada com uma célula de carga de 10.000N e garras

de aperto manual, que permitem o registro das deformações. Um software específico foi

utilizado para a aquisição, registro e apresentação dos resultados obtidos.

Os corpos de prova foram cortados nas direções longitudinal e transversal de acordo

com o molde-padrão (Figura 5.3) e fixados à máquina para a realização do ensaio. Em

geral, o ensaio foi realizado com base em 12 corpos de prova (6 corpos de prova na

direção longitudinal e 6 corpos de prova na direção transversal) para a amostra de

referência e para cada amostra sob os tempos de exposição pré-estabelecidos (1, 2, 3, 6,

9 e 12 meses). A espessura dos corpos de prova foi determinada com precisão e como

média de medidas, constituindo dado de entrada para a obtenção dos resultados do

ensaio.

Figura 5.3 – Corpos de prova de geomembrana cortados para ensaios de tração

64

A Figura 5.4 apresenta a sequência de etapas envolvidas na realização do ensaio. O

resultado é expresso por meio do registro contínuo da curva tensão-deformação do

corpo de prova até a sua ruptura.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 5.4 – Estágios do ensaio à tração: (a) Corpo de prova posicionado na máquina de

tração; (b) e (c) Corpo de prova sob tração; (d) Ruptura do corpo de prova.

5.3.2 – Ensaios de Resistência ao Rasgo

O equipamento utilizado para realização desse ensaio é o mesmo utilizado para os

ensaios de tração (máquina universal). Esse ensaio foi realizado conforme as

recomendações prescritas pela norma ASTM D1004. Assim como nos ensaios de

tração, devido à textura da geomembrana, esse ensaio foi realizado para as direções

longitudinal e transversal dos corpos de prova.

65

Os corpos de prova foram cortados conforme o molde padrão (Figura 5.5) e levados à

máquina para a realização do ensaio. O ensaio foi feito em quatro corpos de prova (2 na

direção longitudinal e 2 na direção transversal), para a amostra de referência e para as

amostras degradadas com diferentes tempos de exposição ao rejeito de zinco (1, 2, 3, 6,

9 e 12 meses).

Figura 5.5 – Corpos de prova de geomembrana cortados para ensaios de resistência ao

rasgo

A Figura 5.6 mostra um estágio da realização do ensaio, que fornece, assim, o esforço

necessário para induzir o rasgo do corpo de prova ensaiado.

Figura 5.6 – Realização do ensaio de resistência ao rasgo

66

5.3.3 – Ensaios de Resistência ao Puncionamento

O equipamento utilizado para realização desse ensaio é o mesmo utilizado para os

ensaios de tração e resistência ao rasgo (este aspecto favorece em muito a adoção desta

série de ensaios para aferição do comportamento mecânico das amostras ensaiadas). A

Figura 5.7 apresenta a conformação do equipamento para realização desse ensaio.

Figura 5.7 – Equipamento preparado para a realização do ensaio de puncionamento.

Conforme a norma ASTM D4833, o ensaio de punção é realizado através do

puncionamento de um corpo de prova circular de geomembrana cortado por uma haste

metálica através de um cilindro vazado com 45 mm de diâmetro, que é pressionada no

centro do corpo de prova até que ocorra o seu puncionamento. A Figura 5.8 apresenta a

sequência de estágios relativos à execução desse ensaio.

(a)

(b)

67

(c)

(d)

Figura 5.8 – Estágios do ensaio ao puncionamento: (a) Corpo de prova para realização

do ensaio; (b) Posicionamento da haste para início do ensaio; (c) Haste pressionada

contra o corpo de prova; (d) Ruptura do corpo de prova.

Para cada amostra foram realizados 6 ensaios, utilizando-se corpo de prova na forma

retangular e com largura equivalente ao diâmetro da base do equipamento de ensaio.

5.3.4 – Ensaios de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)

Os ensaios de Calorimetria Diferencial de Varredura foram realizados em um aparelho

da marca TA Instruments, modelo DSC 2010, com fluxo de calor, calibrado com padrão

do elemento índio.

O corpo de prova, com massa aproximada de 5mg, é colocado em um cadinho de

alumínio e pesado; os cadinhos contendo o corpo de prova e outro vazio (referência) são

hermeticamente fechados e posicionados no interior do equipamento em ambiente

oxidante (ar comprimido) e ligados a termopares.

As análises foram feitas sob uma razão de aquecimento de 10˚C/min, a partir de 10˚C

até se atingir a temperatura de 350˚C.

68

As variações das características do corpo de prova ensaiado sob fluxo de calor são

estimadas com base nas diferenças das capacidades térmicas e das respostas à taxa de

aquecimento aplicada entre o corpo de prova e a referência. A Figura 5.9 apresenta a

sequência de estágios envolvidos na execução desse ensaio.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 5.9 – Ensaio DSC: (a) Equipamento utilizado; (b) Cadinho com o corpo de prova

de geomembrana e cadinho vazio (referência); (c) Fechamento do sistema; (d) Ensaio

em andamento.

5.3.5 – Ensaios para Determinação do Tempo de Oxidação Indutiva (OIT)

O ensaio tipo OIT mede o tempo necessário para que o corpo de prova do material (no

caso, a geomembrana de PEAD) seja oxidada sob pressão e temperatura específicas. O

69

ensaio realizado foi o ensaio padrão Std-OIT, executado de acordo com as prescrições

da norma ASTM D3895.

Os corpos de prova foram cortados em porções com massas aproximadas de 5mg e

colocados em cadinhos de alumínio, sendo, então, levados ao equipamento próprio para

a realização dos ensaios. Tal como no ensaio precedente, a técnica foi aplicada para

porções da amostra de referência e para amostras removidas do reservatório de rejeitos.

No ensaio, procedeu-se inicialmente ao equilíbrio do corpo de prova na temperatura

inicial do equipamento. Em seguida, aplicou-se uma taxa de aquecimento à razão de

20˚C/min até a temperatura atingir 200˚C, utilizando-se nitrogênio (N2). Ao atingir a

temperatura limite, realizou-se uma isoterma a esta temperatura por 5 minutos. Em

seguida, efetuou-se a mudança do gás interno para oxigênio a uma taxa de 50m/min

por um período de no mínimo 100min.

O valor do tempo de oxidação dos corpos de prova foi obtido graficamente verificando-

se o tempo decorrido desde o início da aplicação do oxigênio até a completa oxidação

do material. A Figura 5.10 apresenta a sequência de procedimentos adotados na

execução desse ensaio.

(a)

(b)

70

(c)

(d)

Figura 5.10 – Ensaio OIT: (a) Corpo de prova de geomembrana no cadinho; (b)

Cadinho com o corpo de prova de geomembrana e cadinho vazio (referência); (c)

Equipamento utilizado para realização do ensaio; (d) Fechamento do sistema e início do

ensaio.

71

CAPÍTULO 6

APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS PARA O

ESTUDO DE CASO


Neste capítulo são apresentados os resultados das séries de ensaios mecânicos e

térmicos realizados, com suas respectivas análises. Para uma melhor aferição do

comportamento da durabilidade das geomembranas expostas aos rejeitos de zinco, as

análises serão apresentadas em conjunto, considerando-se as amostras imersas ao rejeito

sob tempos de exposição de 1, 2, 3, 6, 9 e 12 meses e as amostras de referência (não

expostas).

Na exposição a seguir, são apresentados e discutidos inicialmente os resultados das

séries dos ensaios mecânicos realizados: ensaios de resistência à tração, resistência ao

rasgo e resistência ao puncionamento. Complementarmente, são abordados, de forma

análoga, os ensaios térmicos realizados: técnicas DSC e OIT.

6.2 – ENSAIOS DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO

Amostra Não Exposta – Amostra de Referência

As Tabelas 6.1 e 6.2 apresentam os resultados dos ensaios de resistência à tração,

realizados em corpos de prova da geomembrana de PEAD de 1,5mm de espessura

(amostra de referência e não exposta à ação direta dos rejeitos de zinco no Depósito

Murici), nas direções longitudinal e transversal, respectivamente.

Na sequência de cada Tabela, são apresentadas as correspondentes curvas dos ensaios

de tração realizados nos diferentes corpos de prova destas amostras, para as direções

longitudinal e transversal, respectivamente (Figuras 6.1 e 6.2).

72

Tabela 6.1 – Resultados dos Ensaios de Tração – Direção Longitudinal

Geomembrana Não Exposta – Amostra de Referência

Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 27,1 27,5 19,4 420,1 16,81 210

2 28,0 33,0 19,2 499,5 17,19 250

3 29,1 34,4 18,4 507,6 17,63 254

4 28,1 32,2 18,8 492,8 17,37 246

5 28,5 34,1 18,5 556,1 17,50 278

6 27,2 33,1 19,8 522,6 16,70 261

Média 28,01 32,38 19,00 499,8 17,20 249,9

Desvio

Padrão

0,7708 2,494 0,5382 45,08 0,3757 22,54

Coef.

Var.(%)

2,752 7,704 2,833 9,020 2,184 9,020


Longitudinal

73

Tabela 6.2 – Resultados dos Ensaios de Tração – Direção Transversal

Geomembrana Não Exposta – Amostra de Referência

Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 31,1 23,2 16,2 192,7 18,88 96

2 30,8 21,5 15,4 120,0 18,53 60

3 32,2 23,1 15,2 283,6 19,17 142

4 32,0 22,3 14,8 135,5 19,04 68

5 30,3 21,5 15,1 268,4 18,07 134

6 31,0 22,3 14,6 120,5 19,03 60

Média 31,25 22,30 15,21 186,8 18,79 93,39

Desvio

Padrão

0,7183 0,7199 0,5445 74,24 0,4168 37,12

Coef.

Var.(%)

2,299 3,229 3,581 39,75 2,219 39,75


Transversal

74

Os resultados caracterizam um padrão homogêneo das amostras e um comportamento

mecânico típico de geomembrana de PEAD de 1,5mm de espessura, com resistência

média ao escoamento de 17,2 MPa (CV = 2,18%) e deformação correspondente de

19,0% na direção longitudinal e resistência média ao escoamento de 18,8 MPa (CV =

2,22%) na direção transversal, com deformação correspondente de 15,2%.

Amostra Exposta ao Rejeito – EXP 01 (1 mês)

As Tabelas 6.3 e 6.4 apresentam os resultados dos ensaios de tração realizados em

corpos de prova de amostras de geomembranas coletadas do ‘mostruário de

desempenho’, um mês após exposição direta aos rejeitos de zinco estocados no

Depósito Murici, nas direções longitudinal e transversal, respectivamente.

Na sequência de cada Tabela, são apresentadas as correspondentes curvas obtidas a

partir dos ensaios de tração realizados nos diferentes corpos de prova destas amostras,

designadas por EXP 01(Figuras 6.3 e 6.4).


Geomembrana Imersa no Rejeito de Zinco – EXP 01L

Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 32,6 36,5 17,6 500,1 18,83 250

2 30,9 35,2 19,1 455,8 17,89 228

3 30,1 32,0 18,7 427,3 18,02 214

4 27,7 36,4 18,4 429,5 16,13 215

5 30,4 36,4 20,0 431,7 17,85 216

6 29,1 34,8 18,2 455,7 17,45 228

Média 30,14 35,22 18,66 450,0 17,70 225,0

Desvio

Padrão

1,635 1,742 0,8350 27,74 0,8903 13,87

Coef.

Var.(%)

5,425 4,945 4,474 6,164 5,031 6,164

75

Figura 6.3 – Curvas dos ensaios de tração em amostras EXP 01 – Direção Longitudinal


Geomembrana Imersa no Rejeito de Zinco – EXP 01T

Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 30,9 22,3 14,8 170,5 17,87 85

2 31,5 21,8 13,7 176,3 18,33 88

3 34,8 23,3 13,8 108,0 21,08 54

4 33,5 21,4 14,2 50,1 20,28 25

5 34,9 23,5 14,4 49,4 20,20 25

6 34,2 22,2 14,4 54,0 20,85 27

Média 33,30 22,42 14,20 101,4 19,77 50,69

Desvio

Padrão

1,709 0,8216 0,3968 60,00 1,344 30,00

Coef.

Var.(%)

5,131 3,665 2,794 59,18 6,799 59,18

76

Figura 6.4 – Curvas dos ensaios de tração em amostras EXP 01 – Direção Transversal

Os resultados caracterizam variações de desempenho inespecíficas no âmbito dos

padrões de variabilidade das próprias características do material ensaiado, em função,

naturalmente, do período limitado de observação. No escopo da metodologia proposta

para a análise de desempenho das geomembranas confinadas no Depósito Murici, o

valor médio da resistência ao escoamento foi de 17,7 MPa (+ 2,9% em relação à

amostra de referência) para uma deformação correspondente de 18,7% (- 1,8% em

relação à amostra de referência) na direção longitudinal e o valor médio da resistência

ao escoamento foi de 19,8 MPa (+ 5,2% em relação à amostra de referência) na direção

transversal, para uma deformação correspondente de 14,2% (- 6,6% em relação à

amostra de referência).

Os coeficientes de variação associados aos valores das tensões de escoamento do

material passaram a ser superiores a 5,0% para estas amostras, em relação a valores da

ordem de 2,2% obtidos nos ensaios realizados com as amostras de referência da

geomembrana de PEAD.

De forma similar, as Tabelas 6.5 a 6.14 apresentam os resultados dos ensaios de tração

realizados nas amostras retiradas após 2, 3, 6, 9 e 12 meses de exposição aos rejeitos,

respectivamente, com a representação gráfica dos mesmos sendo indicados na sequência

imediata da respectiva tabela de sistematização dos dados (Figuras 6.5 a 6.14).

77

Amostra Exposta ao Rejeito – EXP 02 (2 meses)



Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 28,1 20,0 14,8 136,2 17,43 68

2 27,2 25,2 20,9 404,5 16,67 202

3 25,3 30,7 21,2 517,2 15,64 259

4 26,2 29,6 20,0 489,8 16,55 245

5 27,5 32,7 20,2 528,5 17,30 264

6 26,5 31,4 20,6 518,6 16,75 259

Média 26,78 28,28 19,61 432,5 16,72 216,2

Desvio

Padrão

0,9883 4,780 2,398 152,1 0,6373 76,05

Coef.

Var.(%)

3,690 16,90 12,23 35,17 3,810 35,17


78



Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 28,3 20,4 15,4 123,2 17,34 62

2 27,8 21,3 15,3 271,7 17,50 136

3 29,7 21,2 13,5 91,8 17,78 46

4 27,3 19,8 15,1 93,5 16,98 47

5 28,9 21,1 15,0 193,1 17,85 97

6 28,1 20,0 14,8 136,2 17,43 68

Média 28,35 20,63 14,85 151,6 17,48 75,79

Desvio

Padrão

0,8384 0,6299 0,6853 69,49 0,3160 34,75

Coef.

Var.(%)

2,957 3,053 4,615 45,85 1,807 45,85


79




Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 28,0 34,0 20,6 462,2 15,91 231

2 30,2 35,1 18,1 487,9 17,33 244

3 30,0 36,4 18,2 509,2 18,39 255

4 29,4 24,6 18,8 272,2 17,18 136

5 30,8 37,4 20,0 516,1 17,69 258

6 29,0 33,5 18,2 485,2 17,56 243

Média 29,54 33,51 19,00 455,4 17,34 227,7

Desvio

Padrão

0,9825 4,588 1,074 91,80 0,8174 45,90

Coef.

Var.(%)

3,326 13,69 5,653 20,16 4,713 20,16


80



Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 33,2 22,2 14,1 92,7 19,74 46

2 30,3 22,4 15,2 207,0 18,15 103

3 35,1 23,8 13,0 62,6 20,76 31

4 34,9 24,0 13,8 81,1 21,05 41

5 35,8 24,8 12,5 195,9 20,94 98

Média 33,86 23,45 13,71 127,9 20,13 63,93

Desvio

Padrão

2,216 1,114 1,041 68,13 1,225 34,06

Coef.

Var.(%) 6,543 4,752 7,593 53,29 6,086 53,29


81




Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 29,5 34,2 19,1 493,4 17,56 247

2 28,6 31,6 18,8 464,4 16,70 232

3 28,8 34,8 18,3 529,4 17,58 265

4 28,3 30,3 20,2 446,7 16,95 223

5 28,5 34,1 18,4 516,9 16,94 258

6 30,4 35,2 19,3 504,3 18,90 252

Média 29,01 33,39 19,04 492,5 17,44 246,3

Desvio

Padrão

0,8138 1,960 0,7057 31,58 0,8016 15,79

Coef.

Var.(%)

2,805 5,871 3,707 6,413 4,597 6,413


82



Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 31,9 21,9 13,5 119,7 18,88 60

2 31,2 30,9 14,2 551,0 18,48 276

3 31,4 24,7 14,6 401,9 19,17 201

4 30,4 21,3 14,1 138,4 19,03 69

5 31,0 21,9 14,1 72,2 18,93 36

6 31,0 22,6 14,6 189,5 18,78 95

Média 31,18 23,89 14,19 245,5 18,88 122,7

Desvio

Padrão

0,4918 3,610 0,4301 188,8 0,2376 94,41

Coef.

Var.(%)

1,577 15,11 3,031 76,93 1,259 76,93


83




Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 27,6 32,7 17,0 546,6 16,90 273

2 27,3 33,8 18,1 554,5 16,75 277

3 28,5 32,4 18,5 511,9 16,99 256

4 27,7 33,4 18,2 522,3 17,42 261

5 29,6 30,6 17,0 462,8 18,24 231

6 28,5 26,9 17,5 395,2 17,26 198

Média 28,19 31,63 17,72 498,9 17,26 294,4

Desvio

Padrão

0,8331 2,566 0,6353 60,25 0,5379 30,12

Coef.

Var.(%)

2,956 8,113 3,586 12,08 3,117 12,08


84



Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 29,5 * 14,1 35,9 17,87 18

2 29,2 21,3 14,5 117,9 17,70 59

3 28,9 15,6 14,5 52,2 17,53 26

4 30,3 11,6 14,0 45,5 18,57 23

5 31,4 22,7 14,2 110,8 19,02 55

6 28,8 21,5 14,0 169,1 17,54 85

7 29,5 21,5 14,2 105,1 18,02 53

Média 29,66 19,03 14,20 90,92 18,04 45,46

Desvio

Padrão

0,9087 4,441 0,2189 48,36 0,5633 24,18

Coef.

Var.(%)

3,064 23,33 1,541 53,19 3,123 53,19


85




Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 29,9 32,4 20,2 451,1 17,48 226

2 29,5 24,2 17,8 226,3 17,33 113

3 28,3 24,6 20,0 322,1 16,82 161

4 29,5 33,6 18,4 477,0 17,34 238

5 28,9 30,9 19,3 455,3 16,83 228

6 28,5 32,0 19,7 467,7 16,79 234

Média 29,10 29,62 19,24 399,9 17,10 199,9

Desvio

Padrão

0,621 4,119 0,9432 102,4 0,3161 51,18

Coef.

Var.(%)

2,134 13,91 4,903 25,60 1,849 25,60


86

Tabela 6.14 – Resultados dos Ensaios de tração – Direção Transversal


Corpos

de Prova

Força/Largura

Escoamento

(N/mm)

Força/Largura

Força Máxima

(N/mm)

Def. Especif.

Escoamento

(%)

Def. Especif.

Ruptura

(%)

Tensão

Esc.

(MPa)

Desl.

(mm)

1 32,6 23,3 15,0 303,6 18,85 152

2 30,7 21,3 14,3 218,4 18,38 109

3 30,7 22,7 15,1 240,9 18,48 120

4 30,6 21,7 14,8 259,5 18,10 130

5 31,2 20,2 15,1 52,20 18,69 26

6 31,8 21,9 13,8 123,3 19,16 62

Média 31,27 21,86 14,67 199,7 18,61 99,83

Desvio

Padrão

0,805 1,066 0,533 93,80 0,3727 46,90

Coef.

Var.(%)

2,575 4,877 3,632 46,98 2,003 46,98


87

A Figura 6.15 apresenta as variações das propriedades-índices (tensão de escoamento e

deformação correspondentes às direções longitudinal e transversal) obtidas em ensaios

simples de tração (corpos de prova para controle de qualidade em forma de haltere), no

contexto da metodologia proposta para se estabelecer uma sistemática de controle e

monitoramento das características de variações da durabilidade de geomembranas de

PEAD confinadas em depósitos de rejeitos contaminantes.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 6.15 – Variações das propriedades-índices (resistência à tração e deformação

específica no escoamento): (a) e (b) Direção Longitudinal; (c) e (d) Direção Transversal

Os resultados mostram um comportamento essencialmente homogêneo das amostras e

pouco influenciado pelas condições operacionais em campo, para o período de

observações realizadas. Estas variações reduzidas são quantificadas na Tabela 6.15, que

resume a síntese dos resultados obtidos nestes ensaios. Todas as variações foram

inferiores a 10%. Nota-se, entretanto, um certo padrão inespecífico condicionado pelas

características estruturais da própria geomembrana.

88

Tabela 6.15 – Síntese dos Resultados dos Ensaios de Tração

Ensaio /Amostras Referência 1 mês 2 meses 3 meses 6 meses 9 meses 12 meses

Tensão Escoamento

Longitudinal (MPa)

17,20 17,70 16,72 17,34 17,44 17,26 17,10

% degradação 2,9 -2,8 0,8 1,4 0,35 -0,6

Deformação

Longitudinal (%)

19,00 18,66 19,61 19,00 19,04 17,72 19,24

% degradação -1,8 3,2 0,0 0,2 -6,7 1,3

Tensão Escoamento

Transversal (MPa)

18,79 19,77 17,48 20,13 18,88 18,04 18,61 % degradação 5,2 -7,0 7,1 0,5 -4,0 -1,0

Deformação

Transversal (%)

15,21 14,20 14,85 13,71 14,19 14,20 14,67

% degradação -6,6 -2,4 -9,9 -6,7 -6,6 -3,6

6.3 – ENSAIOS DE RESISTÊNCIA AO RASGO


A Tabela 6.16 apresenta os resultados dos ensaios de resistência ao rasgo, realizados em

corpos de prova da geomembrana de PEAD de 1,5mm de espessura (amostra de

referência e não exposta à ação direta dos rejeitos de zinco no Depósito Murici) nas

direções longitudinal e transversal. As correspondentes curvas dos ensaios estão

apresentadas na Figura 6.16.

Tabela 6.16 – Resultados dos Ensaios de Resistência ao Rasgo

Amostra de Referência: (a) Direção Longitudinal; (b) Direção Transversal

89

Figura 6.16 – Curvas dos ensaios de resistência ao rasgo para amostras de referência

As amostras de referência (não expostas) da geomembrana de PEAD apresentaram

valores médios de resistência ao rasgo de 228,0N na direção longitudinal e de 250,6N

na direção transversal, com valores bem reduzidos de coeficientes de variação. Estes

valores estão em conformidade com padrões desta grandeza para geomembranas de

PEAD de 1,5mm de espessura.

A facilidade e a boa repetibilidade dos resultados atestam a opção interessante desse

ensaio como metodologia de controle e monitoramento de amostras de geomembranas

confinadas (ou exumadas) de sistemas de barreiras de depósitos de rejeitos

potencialmente contaminantes. Avaliações da relevância da adoção destas grandezas

para este tipo de problema, entretanto, demandam a obtenção da evolução dos

parâmetros de controle (resistência ao rasgo de amostras expostas ao rejeito) por prazos

bem mais longos de operação do empreendimento.

Amostras Expostas ao Rejeito – EXP 01 a EXP 12 (1 a 12 meses)

De forma similar, as Tabelas 6.17 a 6.22 apresentam os resultados dos ensaios de rasgo

realizados nas amostras retiradas após 1, 2, 3, 6, 9 e 12 meses de exposição aos rejeitos,

respectivamente, com a representação gráfica dos mesmos sendo indicados na sequência

imediata da respectiva tabela de sistematização dos dados (Figuras 6.17 a 6.22).

90


Amostra EXP 01: (a) Direção Longitudinal; (b) Direção Transversal

Figura 6.17 – Curvas dos ensaios de resistência ao rasgo para amostras EXP 01



91





92






93





94

A Figura 6.23 apresenta as variações das propriedades-índices (resistências ao rasgo

correspondentes às direções longitudinal e transversal) obtidas em ensaios de rasgo. Os

resultados, a exemplo do caso anterior, mostram variações pouco expressivas em função

das condições operacionais em campo, para o período de observações realizadas. Em

alguns casos, estas variações foram superiores a 10%. Estas pequenas variações são

quantificadas na Tabela 6.23, que resume a síntese dos resultados obtidos nestes

ensaios.

(a)

(b)

Figura 6.23 – Variações das propriedades-índices (resistência ao rasgo): (a) Direção

Longitudinal; (b) Direção Transversal

Tabela 6.23 – Síntese dos Resultados dos Ensaios de Rasgo


Rasgo Longitudinal

(N)

228 214,4 253,35 241,2 230,95 212,7 232,8

% degradação -6,0 11,1 5,8 1,3 -6,7 2,1

Rasgo Transversal

(N)

250,6 242,85 227,65 277,3 227,25 250,25 255,6

% degradação -3,1 -9,2 10,7 -9,3 -0,1 2,0

6.4 – ENSAIOS DE RESISTÊNCIA AO PUNCIONAMENTO


A Tabela 6.24 apresenta os resultados dos ensaios de resistência ao puncionamento,

realizados em corpos de prova da geomembrana de PEAD de 1,5mm de espessura

(amostra de referência e não exposta à ação direta dos rejeitos de zinco no Depósito

Murici). As correspondentes curvas dos ensaios estão apresentadas na Figura 6.24.

95

Tabela 6.24 – Resultados dos Ensaios de Resistência ao Puncionamento

Amostra de Referência

Corpos

de Prova

Força Máxima

(N)

1 687

2 707

3 692

4 655

5 693

6 673

Média 684,7

Desvio Padrão 18,21

CV (%) 2,660

Figura 6.24 – Curvas dos ensaios ao puncionamento para amostras de referência

A amostra de referência (não exposta) da geomembrana de PEAD apresentou um valor

médio de resistência ao puncionamento de 684,7N, obtido para um conjunto de seis

corpos de provas. As forças máximas de puncionamento variaram entre 655N e 707N,

com um coeficiente de variação de 2,66% e desvio padrão de 18,21. Estes valores estão

em conformidade com padrões desta grandeza para geomembranas de PEAD de 1,5mm

de espessura.

96

Amostras Expostas ao Rejeitos – EXP 01 a EXP 12 (1 a 12 meses)

De forma similar, as Tabelas 6.25 a 6.30 apresentam os resultados dos ensaios de

puncionamento realizados nas amostras de geomembrana retiradas após 1, 2, 3, 6, 9 e

12 meses de exposição aos rejeitos, respectivamente, com a representação gráfica dos

mesmos sendo indicados na sequência imediata da respectiva tabela de sistematização

dos dados (Figuras 6.25 a 6.30).


Amostra EXP 01

Corpos

de Prova

Força Máxima

(N)

1 673

2 710

3 685

4 716

5 732

6 677

Média 698,8


CV (%) 3,431

Figura 6.25 – Curvas dos ensaios ao puncionamento para amostras EXP 01

97


Amostra EXP 02

Corpos

de Prova

Força Máxima

(N)

1 634

2 626

3 688

4 649

5 727

6 667

Média 665,3


CV (%) 5,680


98


Amostra EXP 03

Corpos

de Prova

Força Máxima

(N)

1 660

2 656

3 707

4 707

5 681

6 702

Média 685,5


CV (%) 3,382


99


Amostra EXP 06

Corpos

de Prova

Força Máxima

(N)

1 719

2 700

3 725

4 731

5 728

6 730

Média 722,1


CV (%) 1,612


100


Amostra EXP 09

Corpos

de Prova

Força Máxima

(N)

1 676

2 650

3 655

4 660

5 645

6 649

Média 655,8


CV (%) 1,680


101


Amostra EXP 12

Corpos

de Prova

Força Máxima

(N)

1 686

2 669

3 639

4 641

5 650

6 654

Média 656,4


CV (%) 2,765


102

A Figura 6.31 apresenta as variações das propriedades-índices (resistências ao

puncionamento) obtidas em ensaios de puncionamento efetuado por uma haste metálica

através de um cilindro vazado com 45mm de diâmetro. As resistências médias ao

puncionamento das amostras ensaiadas variaram entre 655,8N e 722,1N, com variações

percentuais máximas limitadas a cerca de 5%, conforme indicado na Tabela 6.31.

Figura 6.31 – Variações das propriedades-índices (resistência ao puncionamento) das

amostras ensaiadas

Tabela 6.31 – Síntese dos Resultados dos Ensaios de Puncionamento


Puncionamento (N) 684,7 698,8 665,3 685,5 722,1 655,8 656,4

% degradação 2,1 -2,8 0,1 5,46 -4,2 -4,1

6.5 – ENSAIOS DSC CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA

A Figura 6.32 apresenta os resultados dos ensaios de Calorimetria Diferencial de

Varredura (DSC), realizados em corpos de prova da geomembrana de PEAD de 1,5mm

de espessura para a amostra de referência e para as demais amostras expostas à ação

direta dos rejeitos de zinco no Depósito Murici.

Os valores das temperaturas de fusão e de degradação são indicados pelos picos inferior

e superior, respectivamente, característicos das curvas do ensaio DSC e estão

sistematizados na Tabela 6.32.

103

(a)

104

Figura 6.32 – Curvas dos ensaios DSC: (a) amostra de referência; (b) EXP 01; (c) EXP

02; (d) EXP 03; (e) EXP 06; (f) EXP 09; (g) EXP 12.

Tabela 6.32 – Resultados dos Ensaios de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)


Temperatura de

Fusão (˚C)

133,61 133,14 131,24 133,61 133,14 132,19 133,14

% degradação -0,35 -1,77 0,0 -0,35 -1,06 -0,35

Temperatura de

Degradação (˚C)

268,69 269,63 267,27 270,11 267,74 267,74 269,16

% degradação 0,35 -0,53 0,53 -0,35 -0,35 0,17

As Figuras 6.33 e 6.34 apresentam as variações das propriedades-índices (temperaturas

de fusão e de degradação) obtidas nos ensaios de Calorimetria Diferencial de Varredura

(DSC). Os valores médios da temperatura de fusão e de degradação, para as amostras

ensaiadas num período de 12 meses, foram de 132,9˚C e 268,6˚C, respectivamente. Em

todos os casos, as variações percentuais foram inferiores a 2%.

Figura 6.33 – Variações das temperaturas de fusão das amostras ensaiadas

105

Figura 6.34 – Variações das temperaturas de degradação das amostras ensaiadas

6.6 – ENSAIOS OIT DETERMINAÇÃO DOS TEMPOS DE OXIDAÇÃO

A Figura 6.35 apresenta os resultados dos ensaios OIT (Determinação do tempo de

Oxidação) para a amostra de referência da geomembrana de PEAD de 1,5mm de

espessura. O tempo de oxidação é expresso pela extensão do patamar horizontal obtido

a partir da curva típica do ensaio, sendo dado, portanto, pela diferença entre as duas

leituras limites do patamar que, nesse caso, será (35,92 min – 16,84 min), o que

corresponde a um valor de OIT = 19,08 minutos. A curva correspondente à amostra

exposta ao rejeito é indicada na Figura 6.36.

Figura 6.35 – Curva do ensaio OIT para a amostra de referência

107

Figura 6.36 – Curvas dos ensaios OIT: (a) EXP 01; (b) EXP 02; (c) EXP 03; (d) EXP 06;

(e) EXP 09; (f) EXP 12.

108

As variações da propriedade-índice medida neste ensaio (tempos de oxidação em

minutos) estão indicadas na Figura 6.37 e os respectivos valores de OIT (tempos de

oxidação) estão sistematizados na Tabela 6.33.

Figura 6.37 – Variações dos tempos de oxidação para as amostras ensaiadas

Tabela 6.33 – Resultados dos Ensaios de Determinação dos Tempos de Oxidação (OIT)


Tempo de Oxidação

OIT (min)

19,02 16,23 28,26 12,42 7,05 21,86 7,73

% degradação -14,67 48,58 -34,70 -62,93 14,93 -59,36

6.7 – SÍNTESE GERAL DOS RESULTADOS

A metodologia proposta para avaliação da durabilidade de geomembranas de PEAD

inseridas em sistemas de barreiras de depósitos de rejeitos de mineração potencialmente

contaminantes inclui a análise conjunta de resultados de ensaios mecânicos e térmicos

para amostras expostas aos rejeitos no chamado ‘mostruário de desempenho’.

Nesta abordagem, as seguintes propriedades-índices foram consideradas:

- tensão de escoamento na direção longitudinal;

- deformação correspondente à tensão de escoamento na direção longitudinal;

- tensão de escoamento na direção transversal;

- deformação correspondente à tensão de escoamento na direção transversal;

- resistência ao rasgo (direção longitudinal e transversal);

- resistência ao puncionamento;

109

- temperaturas de fusão e de degradação;

- tempos de oxidação.

As variações medidas para todas estas propriedades-índices ao longo do período de

observação desta pesquisa estão sistematizadas na Tabela 6.34, correlacionadas com os

valores obtidos para a amostra de referência (não exposta aos rejeitos de zinco

estocados no Depósito Murici da Unidade VMZ - Três Marias).

Tabela 6.34 – Resultados dos Ensaios Realizados – Síntese Geral


Tensão Escoamento

Longitudinal (MPa)

17,2 17,7 16,72 17,34 17,44 17,26 17,1

% degradação 2,9 -2,8 0,8 1,4 0,35 -0,6

Deformação

Longitudinal (%)

19,00 18,66 19,61 19 19,04 17,72 19,24

% degradação -1,8 3,2 0,0 0,2 -6,7 1,3

Tensão Escoamento

Transversal (MPa)

18,79 19,77 17,48 20,13 18,88 18,04 18,61

% degradação 5,2 -7,0 7,1 0,5 -4,0 -1,0

Deformação

Transversal (%)

15,21 14,2 14,85 13,71 14,19 14,2 14,67

% degradação -6,6 -2,4 -9,9 -6,71 -6,6 -3,6

Rasgo Longitudinal

(N)

228 214,4 253,35 241,2 230,95 212,7 232,8

% degradação -6,0 11,1 5,8 1,3 -6,7 2,1

Rasgo Transversal (N) 250,6 242,85 227,65 277,3 227,25 250,25 255,6

% degradação -3,1 -9,2 10,7 -9,3 -0,1 2,0

Puncionamento (N) 684,7 698,8 665,3 685,5 722,1 655,8 656,4

% degradação 2,1 -2,8 0,1 5,46 -4,2 -4,1

Temperatura de Fusão

(˚C)

133,61 133,14 131,24 133,61 133,14 132,19 133,14

% degradação -0,35 -1,77 0,0 -0,35 -1,06 -0,35

Temperatura de

Degradação (˚C)

268,69 269,63 267,27 270,11 267,74 267,74 269,16

% degradação 0,35 -0,53 0,53 -0,35 -0,35 0,17

Tempo de Oxidação

OIT (min)

19,02 16,23 28,26 12,42 7,05 21,86 7,73

% degradação -14,67 48,58 -34,70 -62,93 14,93 -59,36

110

À exceção dos tempos de oxidação, cujas variações mostraram-se bastante discrepantes,

todos os demais ensaios são potencialmente indicados para o monitoramento proposto,

com índices de correlação compatíveis e aceitáveis. A representatividade do controle é

pouco conclusiva para períodos inferiores a 12 meses, como verificado pela alternância

ora positiva, ora negativa, das medições, independentemente do prazo maior das

amostras expostas aos rejeitos.

Estes resultados demonstram que tais variações estão ainda dentro do domínio de

variação das próprias características estruturais das geomembranas de PEAD,

demandando, portanto, prazos suficientemente mais longos para que possam ser

efetivamente adotados como parâmetros de controle do projeto.

111

CAPÍTULO 7

CONCLUSÕES E ESTUDOS COMPLEMENTARES

7.1 – CONSIDERAÇÕES FINAIS

O escopo desse projeto de pesquisa, iniciado a partir das realidades de um estudo de

caso de um depósito de rejeitos de mineração, consistiu em estabelecer procedimentos

de controle e monitoramento do desempenho de geomembranas de PEAD confinadas

em um depósito de rejeitos de zinco da Unidade VMZ implantada no município de Três

Marias/MG.

O empreendimento possui um longo histórico de problemas ambientais, agravados em

função da localização do mesmo nas vizinhanças do Rio São Francisco e da própria

cidade. Neste sentido, a empresa, mediante acordo geral firmado com os órgãos

ambientais, optou pela implantação de um novo depósito de rejeitos de grande porte,

utilizando as melhores técnicas disponíveis em termos da escolha do local, sistemáticas

de operação e controle de campo e, no aspecto mais diretamente ligado a este trabalho,

por sistemas de barreiras conjugando camadas de argilas compactadas e geossintéticos.

Neste sentido, uma premissa de controle operacional do depósito de rejeitos incluiu

obviamente a avaliação do desempenho das geomembranas de PEAD, de 1,5mm de

espessura, utilizadas como interfaces de estanqueidade ao longo do fundo e dos taludes

laterais do depósito. A questão primária que se impõe, portanto, tem foco na aferição da

durabilidade das geomembranas em ambientes tão agressivos e a evolução de potenciais

susceptibilidades das mesmas à exposição contínua aos rejeitos depositados.

Considerando-se as características e dimensões do projeto e as condições de longo

prazo de um monitoramento dessa natureza, a metodologia proposta baseou-se nas

seguintes proposições gerais:

112

(i) Procedimentos para exposição e coleta das amostras de geomembrana aos

rejeitos de mineração;

(ii) Definição de propriedades-índices características para a correlação dos

resultados entre as amostras expostas e as amostras de referência (não

expostas aos rejeitos);

(iii) Adoção de metodologias de ensaios relativamente simples e disponíveis para

aplicações práticas;

(iv) Possibilidade de adoção posterior no âmbito da própria empresa de

mineração, pela imposição óbvia dos longos períodos de monitoramento.

Tais proposições resultaram na implantação do ‘mostruário de desempenho’ para a

exposição e coleta de amostras expostas aos rejeitos de zinco e na adoção de ensaios de

laboratório centrados na determinação de propriedades mecânicas e térmicas das

amostras expostas, a diferentes períodos de tempo e correlacionadas às das amostras de

referência (não expostas).

7.2 – CONCLUSÕES

As principais conclusões relativas à metodologia proposta e aplicada ao estudo de caso

avaliado podem ser sistematizadas da seguinte forma:

• O ‘mostruário de desempenho’ atendeu, de forma simples e efetiva, as premissas

de uma coleta continuada e garantiu a submersão das amostras nos rejeitos de

zinco ao longo da evolução do reservatório e foram submetidas, portanto, à ação

exclusiva de degradação pelos potenciais efeitos deletérios dos próprios rejeitos

(garantindo-se ainda a não exposição das amostras a radiações UV pelo

encapsulamento do mostruário, particularmente na fase inicial do lançamento

dos rejeitos);

• Na coleta das amostras, realizadas nos seguintes intervalos de tempo: 1 mês, 2

meses, 3 meses, 6 meses, 9 meses e um ano (limite do tempo de observação da

presente pesquisa), a representatividade da amostragem foi garantida pela

113

adoção sistemática dos mesmos procedimentos para a sua remoção do pórtico,

acondicionamento, proteção e encaminhamento para o laboratório;

• A infraestrutura disponível no país atende e viabiliza de forma adequada, em

termos práticos e não apenas de pesquisa, os procedimentos experimentais

propostos na presente metodologia, baseados em ensaios para determinação de

propriedades mecânicas e térmicas de geomembranas de PEAD;

• À exceção dos tempos de oxidação (técnica OIT), cujas variações mostraram-se

bastante discrepantes, todos os demais ensaios são potencialmente indicados

para o monitoramento proposto, com índices de correlação compatíveis e

aceitáveis;

• Em relação aos ensaios mecânicos, as propriedades-índices propostas como

referência, e que se mostraram relevantes, foram as seguintes:

- tensão de escoamento na direção longitudinal; deformação

correspondente à tensão de escoamento na direção longitudinal; tensão de

escoamento na direção transversal e deformação correspondente à tensão

de escoamento na direção transversal; obtidas em ensaios simples de

tração (corpos de prova para controle de qualidade em forma de halteres);

- resistências ao rasgo, correspondentes às direções longitudinal e

transversal, obtidas em ensaios convencionais de rasgo;

- resistências ao puncionamento, obtidas em ensaios de puncionamento

efetuado por uma haste metálica através de um cilindro vazado com

45mm de diâmetro.

• O equipamento utilizado para realização de todos estes ensaios é o mesmo, o que

favorece muito a adoção desta série de ensaios para aferição do comportamento

mecânico de diferentes amostras de geomembrana;

• Em relação aos ensaios baseados em técnicas térmicas, as propriedades-índices

propostas como referência, e que se mostraram relevantes, foram as seguintes:

114

- temperaturas de fusão e de degradação das amostras ensaiadas, obtidas

por meio dos ensaios de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC);

- tempos de oxidação, obtidos pela técnica OIT.

• Aparentemente, é pouco confiável as prescrições normativas em relação à

fixação de valores mínimos de OIT para geomembranas (norma GRI GM13, por

exemplo); estes parâmetros mostraram-se muito inconsistentes no âmbito do

presente estudo;

• A representatividade do controle é pouco conclusiva para períodos inferiores a

12 meses, como verificado pela alternância ora positiva, ora negativa, das

medições, independentemente do prazo maior das amostras expostas aos

rejeitos;

• Estes resultados demonstram que tais variações estão ainda dentro do domínio

de variação das próprias características estruturais das geomembranas de PEAD,

demandando, portanto, prazos suficientemente mais longos para que possam ser

efetivamente adotados como parâmetros de controle do projeto.

7.3 – ESTUDOS COMPLEMENTARES

A principal recomendação decorrente dos estudos realizados é a sua óbvia continuidade,

no âmbito dos procedimentos pré-estabelecidos, para amostras coletadas após exposição

aos rejeitos de zinco por períodos de 2 anos, 5 anos, 10 anos e ao final de vida útil do

reservatório, sob os cuidados e responsabilidades da própria empresa de mineração.

Estes resultados permitirão análises do desempenho geotécnico de geomembranas de

PEAD em reservatórios de rejeitos potencialmente contaminantes por longos períodos,

propiciando dados e observações muito relevantes, em face do caráter incipiente destes

estudos na literatura técnica especializada (particularmente no Brasil).

115

Outro estudo proposto seria a investigação da técnica OIT à luz da degradação dos

aditivos presentes em geomembranas de PEAD, particularmente compostos

plastificantes e antioxidantes. Ensaios de laboratório aplicando essa técnica para

condições bastante específicas (como ensaios em estufas, com ou sem circulação de ar

ou em câmaras com exposição severa das amostras a radiações UV) parecem não

reproduzir adequadamente as condições reais de campo para interfaces expostas a

rejeitos.

Outro estudo particularmente relevante diz respeito ao comportamento de emendas de

geomembranas em campo. Embora existam diferentes proposições de procedimentos

para a sua adequada execução em campo e uma série de testes de controle em relação à

estanqueidade destas feições, o fato concreto é que as emendas de painéis constitui um

elemento-chave de extrema relevância prática e causa quase generalizada de problemas

em aplicações de geomembranas em sistemas de barreiras de depósitos de rejeitos.

116

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