Comportamento filtro-drenante de geotêxteis em barragens de rejeitos de mineração

Abstract

O comportamento geotécnico geral de barragens de rejeito é dependente do desempenho dos respectivos dispositivos de filtração e drenagem. Neste sentido, este trabalho objetivou o estudo do comportamento de geotêxteis quando empregados nestes dispositivos. Para tanto foram realizadas investigações de campo e laboratório acerca das principais variáveis envolvidas no processo de filtração. Estas investigações permitiram a caracterização do processo de filtração ocorrente e a identificação de agentes intervenientes. As investigações de campo foram realizadas em barragens de contenção de rejeitos, alteadas com os próprios materiais a serem contidos, de minerações de minério de ferro e de rocha fosfática. Nestas investigações a condição de fluxo ocorrente foi qualificada como a principal força perturbadora. A geometria geral das estruturas de contenção de rejeitos, assim como a caracterização de campo dos materiais envolvidos, foi analisada. Foi exumada uma amostra de geotêxtil empregada na mineração de minério de ferro, tendo sido caracterizada a interação dos rejeitos com a malha têxtil por meio de estudos do grau de impregnação e granulometria das partículas retidas, além de microscopia ótica e eletrônica de varredura. Foram coletadas 20 amostras de rejeito em barragens das mineradoras que colaboraram com a pesquisa. Foi feita análise do potencial à instabilidade interna destas amostras. Com base neste estudo foram selecionadas amostras representativas de cada um dos rejeitos para serem estudadas nos ensaios de filtração em laboratório. Sistemas compostos por estes rejeitos e geotêxteis com gramatura variando de 200 a 600 g/m² foram submetidos a ensaios de filtração sob tensão, do tipo razão entre gradientes (GR), sob gradientes hidráulicos constante e variável. Observou-se que os incrementos de tensões aplicados aos corpos de prova tenderam a reduzir eventuais heterogeneidades observadas no início dos ensaios, sendo o estágio de 200 kPa aquele que limita as principais variações. Os rejeitos se comportaram de forma estável diante ao fluxo em todos os ensaios, tendo sido observados apenas fenômenos localizados de migração de partículas nas regiões mais próximas dos geotêxteis. A granulometria das partículas passantes através dos geotêxteis ao longo do ensaio permitiu constatar que apenas a fração fina sofre maior efeito da variação do gradiente hidráulico, enquanto os incrementos de tensão provocaram a perda de partículas mais graúdas. A avaliação microscópica dos geotêxteis após os ensaios permitiu a verificação de grãos maiores que os seus poros no seu interior, o que foi comprovado por meio dos estudos da granulometria destes materiais. No geral, os sistemas rejeito-geotêxtil ensaiados se comportaram de forma estável, inclusive em contraposição a alguns resultados de avaliações por critérios de projeto disponíveis na literatura. Neste sentido, o GRASTM foi bastante eficiente na medida em que se manteve quase sempre próximo da unidade, que caracteriza a condição de estabilidade. Porém, as outras propostas, GRMod e GR3mm, mostraram-se também importantes na avaliação do efeito que o geotêxtil tem nas regiões mais próximas a ele. Cabe ressaltar a constatação da importância da complementação dos resultados obtidos nos ensaios de filtração por meio dos estudos de granulometria das partículas passantes pelo geotêxtil, além de investigação visual das condições deste ao final dos ensaios por meio de microscopia eletrônica de varredura. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The behaviour of tailing dams depends on their filtration and drainage systems. In this context, this dissertation aimed to study the behaviour of geotextiles in such systems. To accomplish that, field and laboratory tests were performed on the main variables related to the filtration mechanism. These tests allowed the characterization of the filtration process and the identification of the main agents of this process. The field investigations were made in tailing dams of iron and phosphate industries. In these investigations the flow condition was the main disturbing agent. The general geometry of the tailing dams, as well as the field properties of the materials, were studied. A geotextile specimen was exhumed from a drainage system of one of the tailing dams of the iron industry and was subjected to studies on the interaction with the tailings by assessing its impregnation level, grain size analyses of the particles entrapped in the geotextile and optical and electronic scanning microscopy. Twenty samples of the tailings were collected and representative samples were chosen for the laboratory filtration tests. Geotextiles with masses per unit area varying between 200 and 600 g/m2 were employed in the gradient ratio tests (GR) under pressure, being subjected to constant and varying hydraulic gradients. It was observed that the stresses applied at the top of the soil samples tended to reduce eventual heterogeneities observed at the beginning of the tests, being the stress of 200 kPa a threshold value for these variations. The tailings tested behaved as stable materials in all tests, being observed only localized migrations of particles in the regions close to the geotextile layer. The grain size analyses of the particles that piped through the geotextiles showed that only the soil fine fraction suffered the effects of the variation of hydraulic gradient, while the increments in normal stresses affected the passage of coarser particles thorough the geotextile. Post test microscopic analyses of the geotextiles showed large particles in the geotextile voids, which was corroborated by the grain size analyses of the entrapped particles. In general, the tailing-geotextile systems tested behaved in a stable manner, which was conflicting with some predictions by design criteria available in the literature. In this sense, the GRASTM was very effective to quantify the system behaviour and this value was always close to unity, which is a sign of system stability. Nevertheless, the other GR definitions, GRMod and GR3mm, were also important for the evaluation of the geotextile influence on the behaviour of the neighbouring soil regions. It is important to point out the relevance of the complementary studies carried out to understand the behaviour of the systems tested that included grain size analyses of the particles that piped through the geotextile as well as visual and microscopic investigations of the geotextiles at the end of the tests.