1.2 Notre approche
1.2.3 Contributions et plan
O Ensaio HCT com bomba de fluxo constitui uma técnica experimental para a determinação das relações constitutivas de compressibilidade e de permeabilidade de materiais finos, pelo método de fluxo induzido por meio de uma bomba de fluxo. Recentemente na UFOP, foi desenvolvida uma versão avançada deste equipamento, utilizando sistemas conjugados de aplicação de cargas, reversão de fluxos, aquisição e tratamento automático de dados. Quatro ensaios (sendo uma réplica) foram realizados neste novo equipamento disponível na UFOP (Cançado, 2010).
Fez-se previamente uma homogeneização do rejeito, com proporções iniciais de sólidos para execução dos ensaios, da ordem de 25 a 30% (Figura 4.9), tomando-se uma porção suficiente para montagem do corpo de prova dos ensaios de adensamento e de permeabilidade HCT, incluindo os seguintes ensaios complementares: determinação do índice de vazios para a tensão efetiva nula (e00), determinação do teor de umidade inicial e determinação da massa específica dos sólidos.
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Na montagem do corpo de prova, por meio de um funil apoiado na borda superior do tubo de acrílico da câmara, a lama foi colocada cuidadosamente e em pequenas porções até ser atingida a altura desejada. Depois de montado, o corpo de prova foi deixado em repouso por um período de 24 horas para ser submetido ao processo de sedimentação e adensamento sob a ação do peso próprio. Ao final desta fase, foi feita a medida da altura atualizada do corpo de prova, sendo esta altura considerada para a determinação do índice de vazios correspondente à tensão efetiva nula (e00) e da altura reduzida do corpo de prova (Hs).
Em seguida, colocou-se um papel filtro no topo do corpo de prova, adicionando-se água até se atingir uma altura de aproximadamente 5,0 cm, introduzindo-se em seguida o cabeçote de acrílico. O cabeçote foi posicionado cuidadosamente, deixando-o descer livremente até se apoiar no topo do corpo de prova. A câmara interna foi, então, completada com água e, em seguida, fez-se a montagem e o preenchimento com água da câmara externa da célula triaxial (Figura 4.10).
Figura 4.10 – Vista geral da câmara triaxial com o rejeito MPSA
Na sequência, foi feita a montagem dos instrumentos de medidas das deformações e poropressões, fixando-se o transdutor de deformações (LVDT) na estrutura de suporte da célula e conectando-se o transdutor de pressão com a válvula da base da câmara interna, em contato com a pedra porosa da base do corpo de prova. O pistão da célula foi, então,
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destravado e deixado descer lentamente até se apoiar levemente no topo do cabeçote de acrílico. Nesta condição, o pistão é novamente travado, fazendo-se a medida da altura atualizada do corpo de prova. Esta medida foi utilizada como referência para a determinação das variações das alturas do corpo de prova nas fases seguintes do ensaio. Estas fases seguintes correspondem aos ensaios de adensamento e de permeabilidade propriamente ditos, com e sem carregamento. Inicialmente, o corpo de prova foi submetido ao adensamento induzido pela ação das forças de percolação, induzidas pela retirada de água da base da amostra, por meio de sucção imposta pela bomba de fluxo, com uma vazão de fluxo previamente programada (Figura 4.11).
Figura 4.11 – Vista geral do equipamento HCT com bomba de fluxo
A imposição de um fluxo descendente resulta no deslocamento das partículas sólidas e consequentes variações das tensões efetivas, obtidas pelas poropressões geradas na base do corpo de prova. Numa segunda etapa do ensaio, faz-se a aplicação de cargas, que são, então, incrementadas gradualmente até se atingir 50 kPa. Esse procedimento leva algo em torno de 1 hora e, então, o corpo de prova é deixado adensar por um período de 24 horas. Na fase final, é feita a determinação da permeabilidade do corpo de prova previamente adensado. Neste sentido, é induzido novo fluxo à amostra, agora com valores de vazão bem menores, com a finalidade de se determinar o coeficiente de permeabilidade correspondente ao estado final do estágio de adensamento. Para os ensaios realizados, aplicou-se um fluxo com a bomba operando com uma vazão de 0,15 ml/min.
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Todos os dados dos ensaios foram obtidos e monitorados eletronicamente, através do novo sistema de aquisição de dados e da instrumentação eletrônica implementada na aparelhagem. As deformações verticais foram registradas por um transdutor de deformação linear (LVDT), enquanto que as poropressões geradas na base do corpo de prova foram obtidas por meio de um transdutor de pressão. As variações de deformação e de poropressão, captadas por sinais eletrônicos dos instrumentos de medição, foram enviadas para o sistema de aquisição de dados, interpretados pelo programa Catman 32, especialmente desenvolvido para efetuar a codificação dos sinais via calibração prévia dos instrumentos.
As características de compressibilidade e permeabilidade da amostra ensaiada são estabelecidas pelas chamadas leis constitutivas (‘índice de vazios x tensão efetiva’ e ‘índice de vazios x permeabilidade’), por meio dos modelos matemáticos desenvolvidos para representar analiticamente essas relações a partir de valores determinados experimentalmente nos ensaios realizados, expressas por:
e = A(б’+Z)B (4.1)
K = CeD (4.2) Sendo: A, B, C, D e Z parâmetros constitutivos do material, obtidos pela aplicação do software SICTA (Abu-Hejleh, A. N. & Znidarcic, D., 1992).
Os valores dos índices físicos iniciais e finais (após adensamento) dos ensaios HCT com bomba de fluxo, realizados com o rejeito MPSA, estão sistematizados nas Tabelas 4.6 e 4.7, respectivamente. Os resultados dos ensaios estão indicados nas Figuras 4.12 e 4.13. O ensaio 02 foi realizado apenas como réplica (ensaio de controle) do ensaio 01.
Tabela 4.6 - Valores dos índices físicos iniciais dos ensaios HCT
ÍNDICES FÍSICOS ENSAIO 01 ENSAIO 03 ENSAIO 04
Massa específica dos sólidos (g/cm3) 2,71 2,71 2,71
Teor de umidade (%) 325,85 228,6 245,68
Massa específica úmida (g/cm3) 1,22 1,35 1,20
Massa específica seca (g/cm3) 0,29 0,41 0,35
Índice de vazios inicial 8,45 5,61 6,83
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Tabela 4.7 - Valores dos índices físicos finais (adensamento por 48h)
Figura 4.12 – Gráfico ‘Índices de vazios x Tensões Efetivas’
Figura 4.13 – Gráfico ‘Permeabilidades x Índices de Vazios’ ÍNDICES FÍSICOS ENSAIO 01 ENSAIO 03 ENSAIO 04
Teor de umidade (%) 280,63 220,32 225,87
Massa específica úmida (g/cm3) 1,25 1,33 1,21
Massa específica seca (g/cm3) 0,329 0,414 0,372
Índice de vazios (e00) 7,25 5,55 6,28
Altura reduzida (Hs) 0,75 1,03 0,898
Teor de sólidos (%) em peso 26,27 31,22 30,69
Teor de sólidos final (%) em peso 60,59 60,64 60,57
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 Ín d ic e d e va zi o s
Tensão Efetiva (kPa)
Índices de vazios x Tensões Efetivas
Ensaio 1 Ensaio 3 Ensaio 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8
1,00E-10 1,00E-09 1,00E-08 1,00E-07 1,00E-06 1,00E-05 1,00E-04 1,00E-03 1,00E-02
Ín d ic e d e va zi o s Permeabilidade (cm/s)
Permeabilidades x Índices de vazios
Ensaio 1 Ensaio 3 Ensaio 4
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Com base nos resultados das Figuras 4.12 e 4.1, foram obtidos os parâmetros constitutivos do rejeito (Tabela 4.8) e suas correspondentes leis de compressibilidade e de permeabilidade, expressas pelas relações ‘índices de vazios x permeabilidades’ e ‘índices de vazios x tensões
efetivas’ (Tabela 4.9).
Tabela 4.8 – Parâmetros constitutivos do rejeito da MPSA
Tabela 4.9 – Leis de compressibilidade e permeabilidade do rejeito MPSA
PARÂMETROS ENSAIO 01 ENSAIO 03 ENSAIO 04 A 3,98 3,46 3,9
B -0,22 -0,17 -0,18
Z 0,063 0,073 0,065
C 3,89E-08 2,19E-08 2,19E-08
D 6,25 6,33 6,27 1 23,5 3 30,4 4 28,9 e = 3,9834 (σ' + 0,0631)-0,2163 e = 3,4458 (σ' + 0,0733)-0,1723 e = 3,8983 (σ' + 0,0654)-0,1754 k = 3,8929 x 10-8 . e6,2511 k = 2,1879 x 10-8 . e6,3261 k = 2,1930 x 10-8 . e6,2665 Ensaio teor de sólidos
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