Estudos geoambientais em solos modificados quimicamente

Abstract

O presente trabalho teve por objetivo proceder à modificação da fração fina de um solo argiloso típico da região Sudeste do Brasil, da Zona da Mata Norte de Minas Gerais, com vistas a aplicações em obras geotécnicas de caráter ambiental. A realização deste trabalho englobou as seguintes etapas: (i) construção de um equipamento para a realização de ensaios de percolação em coluna com o emprego de gradientes hidráulicos elevados; (ii) desenvolvimento de processos de mudanças no complexo iônico do solo com vistas a aplicações de campo; (iii) realização de ensaios de percolação em coluna no solo e nos solos modificados para medição da condutividade hidráulica e avaliação da influência do gradiente hidráulico na capacidade de retenção dos metais pesados Cd, Mn, Ni, Pb e Zn; (iv) comparação de parâmetros geotécnicos do solo e dos solos modificados; e (v) avaliação da distribuição dos metais pesados ao longo dos corpos de prova ensaiados e da intensidade do potencial de adsorção destes pelos solos analisados via extração sequencial. Para fins de terminologia, o solo natural e os solos modificados quimicamente foram denominados: solo sem tratamento (ST); solo ST tratado com cálcio (TCa); solo ST tratado com sódio (TNa); e solo ST tratado com cal hidratada (TCAL). Trabalhou-se com uma solução multiespécie com os metais pesados Cd, Mn, Ni, Pb e Zn, para uso nos ensaios de percolação em coluna utilizando-se os gradientes hidráulicos de 15, 45, 66 e 87. De posse dos resultados obtidos no estudo, para fins práticos de engenharia, concluiu-se que: (i) o equipamento desenvolvido para a realização dos ensaios de percolação em coluna atendeu aos objetivos almejados; (ii) em comparação com o solo ST, os solos TCa e TNa apresentaram mudanças significativas nos limites de Atterberg (LL e LP), mostrando-se mais plásticos e observando-se,vi também, aumento da e redução do teor de umidade ótimo, bem como alteração não significativa na granulometria; (iii) no solo TCAL, observou-se a redução da fração fina de sua granulometria e mudanças não significativas nos parâmetros ótimos de compactação; (iv) variações de gradiente hidráulico, independentemente do tipo de solo, não produziram variações significativas no coeficiente de condutividade hidráulica; (v) variações de gradiente hidráulico refletiram-se em comportamentos diferentes do processo de retenção de metais pesados nos solos ST, TCa e TNa, revelando uma tendência de redução do coeficiente de retardamento à medida que se reduziu o gradiente hidráulico no ensaio de percolação em coluna; contudo, no caso do solo TCAL, não foi possível calcular o seu fator de retardamento, já que os metais ficaram retidos na massa de solo; (vi) os solos não apresentaram grandes modificações na resistência mecânica, com exceção do solo TCAL que mostrou melhorias consideráveis do ponto de vista de engenharia, considerando-se resultados dos ensaios de compressão não confinada, cisalhamento direto e ensaios com o cone penetrométrico quase-estático, verificando-se, também, que este solo apresentou comportamento mais dúctil que os demais; (vii) com relação aos resultados dos ensaios de retração, os tratamentos empregados no solo ST não levaram a mudanças significativas no parâmetro retração; e (viii) tomando- se o solo ST como referência, o solo TCAL foi aquele que apresentou maior capacidade de adsorção dos metais pesados em estudo, uma vez que praticamente todo o quantitativo da solução multiespécie foi adsorvido em sua massa; com relação aos demais solos, estes mantiveram comportamentos semelhantes e até mesmo inferiores ao solo ST.

The present study was directed to the modification of the fine grained fraction of a typical clayey soil from the Southeast of Brazil, specifically from the Zona da Mata de Minas Gerais, for geoenvironmental applications. The study encompassed the following steps: (i) construction of an equipment for performing column percolation test using high hydraulic gradients; (ii) development of soil ionic complex change processes regarding field applications; (iii) column percolation tests in the soil and modified soils in order to evaluate the influence of the hydraulic gradient in theirs hydraulic conductivity and retention capacity of the heavy metals Cd, Mn, Ni, Pb and Zn; (iv) comparison of geotechnical parameters of the soil and the modified soils; and (v) evaluation of the distribution of heavy metals over the tested soils specimens and of the potential adsorption intensity of metals by the soils via sequential extraction. For the purposes of terminology, the natural soil and the chemically modified soils were named: natural soil (ST); soil ST treated with calcium (TCa); soil ST treated with sodium (TNa); and soil ST treated with hydrated lime (TCAL). A multispecies solution with the heavy metals lead, cadmium, manganese, nickel and zinc and the hydraulic gradients of 15, 45, 66 and 87 were used in the column percolation tests. Based on the testing data program, and for practical engineering purposes it was concluded that: (i) the equipment developed to perform the column percolation tests met the desired objectives; (ii) in comparison with the soil ST, the soil TCa and TNa presented significant changes in the Atterberg limits named LL and PL, depicting more plastic behavior, and increase in the maximum dry specific weight and drop in the optimum moisture content, as well as non-significant change in grain size distribution; (iii) in the TCAL soil, it was noted reduction of the soil fine fraction,viii and non-significant change in the parameters optimum compaction parameters; (iv) changes in hydraulic gradient, regardless of the type of soil, did not produce significant variations in coefficient of hydraulic conductivity of soils; (v) regarding soils ST, TCa and TNa, hydraulic gradient variations reflected in different behaviors of soils heavy metals retention processes, revealing a trend of reduction of the retardation factor with reduction of the applied hydraulic gradient; however regarding the soil TCAL, it was not possible to calculate its retardation factor, since all metals were retained in the soil mass; (vi) from an engineering point of view, the tested soils showed no significant changes in their mechanical strength but the soil TCAL who presented major improvement based on data from unconfined compression, direct shear and quasi-static cone penetrometer tests, also presenting this soil more ductile mechanical behavior than the others; (vii) with regard to the results of the shrinkage tests, it was not detected significant change in comparison with soil ST; and (viii) taking up the soil ST as a reference, the soil TCAL was one that presented greater ability of heavy metal adsorption, since practically all the amount of multispecies solution was adsorbed on its mass; with respect to other soils, they showed similar behaviors, and sometimes even lower adsorption capacity than the soil ST.