Alguns fatores que influenciam o desempenho de geocompostos bentoníticos sob fluxo de gases e líquidos em barreiras de aterros sanitários

Abstract

Geocompostos bentoníticos (GCLs) são materiais sintéticos compostos por um núcleo de bentonita sódica ou cálcica, em pó ou em grânulos, unido a uma ou mais camadas de geossintéticos (geotêxtil ou geomembrana, geralmente). Essas camadas são ligadas por adesivo, agulhagem ou costura. Quando hidratados e confinados, eles cumprem função de barreira de líquidos ou gases com o seu desempenho dependendo, na maioria dos casos, da condutividade hidráulica da bentonita. Graças à baixa permeabilidade aos líquidos e gases, GCLs são comumente usados em aterros sanitários, associados a camada de argila compactada (CCL) e geomembrana (GM) para compor as impermeabilizações de cobertura e fundo dessas instalações. Estudos precedentes investigaram os fatores mais influentes no fluxo de gás/líquidos através de GCLs ou barreiras compostas. Apesar da natureza da bentonita ser tão importante para a permeabilidade dos GCLs, não há dados na literatura a respeito da influência da natureza da bentonita no fluxo de gás através de GCLs ou fluxo de líquidos através de barreiras compostas envolvendo GCLs. Isso é o tema que a presente tese quer esclarecer. Além de estudar a influência da natureza da bentonita, o impacto do processo de manufatura do GCL na vazão e na transmissibilidade na interface GM-GCL também foi discutido. Dois estudos foram conduzidos: (i) investigação da permeabilidade ao gás de GCLs simulando as condições de cobertura de aterros sanitários; (ii) investigação do transporte de líquidos através de barreiras compostas GM-GCL-CCL devido a um dano na geomembrana, sob condições típicas do fundo de aterros sanitários. No primeiro estudo, um equipamento recentemente proposto, cujo funcionamento baseia-se no método da queda de pressão, foi usado em ensaios para verificar a permeabilidade ao gás de GCLs. Três GCLs costurados do mesmo fabricante, diferindo pela natureza da bentonita (sódica natural, cálcica natural e cálcica ativada) foram testados. Os resultados mostram que o teor de umidade gravimétrica necessário para atingir certa permeabilidade depende da natureza da bentonita. O mesmo não foi observado em termos de teor de umidade volumétrica, destacando a importância da estrutura da bentonita na sua permeabilidade. No entanto, outros fatores se mostraram mais importantes do que a natureza da bentonita na permeabilidade ao gás dos GCLs: a dessecação devido ao fluxo de gás pode aumentar significativamente a permeabilidade, o que compromete o desempenho do GCL como barreira. O segundo estudo focou na investigação da influência das características do GCL no transporte de liquido através de uma barreira composta sob condições típicas da base de aterros sanitários. Quatro tipos de GCLs com dois processos de manufatura (costurado ou agulhado) e duas bentonitas diferentes (sódica natural ou cálcica natural) foram ensaiados. Os resultados obtidos mostram que não houve influência significativa de vazão versus tempo para os ensaios conduzidos, especialmente depois de atingido o regime permanente de fluxo. Uma solução analítica foi empregada para estimar a transmissibilidade da interface GM-GCL. Essa solução permitiu também a previsão de vazamento e raio da área molhada em barreiras compostas de dimensões reais. Os resultados obtidos mostram pouca influência da natureza da bentonita na vazão e a predominância de caminhos preferenciais de fluxo na interface transmissível GM-GCL. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

Geosynthetic Clay Liners (GCLs) are synthetic materials composed by a core of calcium or sodium bentonite, either in powder or granular, bonded to one or more geosynthetic layers (geotextile or geomembrane, in general). These layers are usually bonded by an adhesive, needle-punching, stitch-bonding or sewing. When hydrated and confined, they fulfil functions of liquid or gas barrier with their hydraulic performance depending in most cases on the hydraulic conductivity of the bentonite. Thanks to their low permeability to water and gases, GCLs are often used in municipal solid waste landfill applications, combined to compacted clay liners (CCL) or with geomembranes (GM) as part of both bottom and cover liners. Previous studies were conducted to investigate the most important factors that influence the gas/liquid flow rate through GCLs or composite liners. Although the nature of bentonite is so important in the permeability of the GCLs there is a lack of data in the literature regarding the influence of the nature of the bentonite on the gas flow through GCLs and liquid flow through composite liners involving GCLs. That is what this thesis aims at clarifying. Furthermore, in conjunction with the nature of the bentonite, the impact of the manufacturing process of the GCL on the flow rate and transmissivity at GM-GCL interfaces was also discussed. Two studies were performed: (i) investigation of the GCL permeability to gas simulating the covering conditions of municipal solid waste landfill; (ii) investigation of liquid transfer through composite liners GM-GCL-CCL due to a defect in the geomembrane, simulating typical conditions of bottom liners in landfills. In the first study, an apparatus recently proposed, based on the falling pressure method, was used in tests to verify the GCL permeability to gas. Three stitch bonded GCLs from the same manufacturer differing by the bentonite nature (natural sodium, natural calcium and activated calcium) were tested. The results showed that the gravimetric water content of the GCL necessary to attain a certain permeability value depends on the bentonite nature, which was not observed in terms of volumetric water content. However, other factors showed to be more important than the nature of bentonite in the GCL permeability to gas: the desiccation due to the gas flow can increase significantly the permeability, which compromise the GCL performance as a gas barrier. The second study focused in investigating the influence of the GCL characteristics in the liquid flow through a composite liner under bottom liners solicitations. Four types of GCLs with two different bonding processes (stitch-bonded or needle-punched) and different bentonites (natural sodium or natural calcium) were tested. The results obtained showed no significant differences among flow rate versus time in most of the tests performed, especially after steady-state conditions of flow having been reached. An analytical solution was employed to estimate the transmissivity of the GM-GCL interfaces. This solution also allowed predictions of flow rates and radius of wetted areas for typical configurations of composite liners in the field. The results obtained showed little influence of the nature of the bentonite and the predominance of influence of the presence of preferential flow paths between the geomembrane and the GCL surface on the transmissivity of GM-GCL interfaces and flow rates through composite liners. ___________________________________________________________________________________ RÉSUMÉ

Géosynthétiques bentonitiques (GCLs) sont matériaux synthétiques composées par un noyaux de bentonite sodique ou calcique, en poudre ou en granulats, liés à un ou plus couches de géosynthétiques (geotextiles ou geomembranes en générale). Les GCLs peuvent être aiguillettes, cousus, liés par adhésive, entre autres. Lorsque le GCL est confinée et hydratée, il présente de bonnes propriétés d’étanchéité pour accomplir la fonction de barrière. Sa performance dépend, généralement de la conductivité hydraulique de la bentonite. Grâce à leur faible perméabilité, les GCLs sont souvent installés au fond ou couverture des Installations de Stockage de déchets (ISD) associés avec l’argile compactée (CCL) ou avec la geomembrane (GM). Des études précédentes ont investigué les facteurs qui affectent la fuite de gaz/liquide au travers les GCLs ou les étanchéités composites. Malgré la nature de la bentonite soit si importante pour la perméabilité des GCLs, il n’y a pas dans la littérature concernant l’influence de la nature de la bentonite dans la fuite de gaz au travers les GCL ou la fuite de liquide au travers les étanchéités composites. C’est pour quoi cette étude s’intéresse. On propose d’étudier également l’effet du procès de manufacture du GCL dans l’écoulement de liquide et transmissivité de l’interface GM-GCL. Deux études sont été menés : (i) investigation de le perméabilité aux gaz des GCL ; (ii) investigation du transfert de liquide au travers des étanchéités composites GM-GCL-CCL du a un endommagement dans la GM. Pour la première étude un équipement proposé récemment, basée sur la méthode de chute de pression a été utilisé pour mesurer la perméabilité aux gaz des GCLs. Trois GCLs cousus à base de bentonites de différentes natures (sodique naturelle, calcique naturelle et calcique activée) ont été testés. Les résultats indiquent que la teneur en eau gravimétrique nécessaire pour atteindre une cer aine valeur de perméabilité dépend de la bentonite. Concernant la teneur en eau volumique, pratiquement la même relation a été obtenue, indépendamment de la bentonite. D’autres facteurs ont affecté plus significativement la perméabilité au gaz des GCLs : la dessiccation du au flux de gaz peut causer l’augmentation de la perméabilité et compromettre la performance du GCL comme barrière étanche. La deuxième étude s’est concentré dans l’investigation de l’influence des caractéristiques du GCL sur l’écoulement de liquide au travers une étanchéité composite.GM-GCL-CCL. Quatre types de GCLs avec deux procès de manufacture (aiguilleté ou cousu) et deux natures de bentonite (sodique naturelle ou calcique naturelle) ont été testés. Les résultats indiquent que la nature de la bentonite n’affecte le flux que pendant le régime transitoire. Les valeurs de transmissivité de l’interface GM-GCL ont été calculées par une solution analytique qui a également possibilité des prédictions du débit de fuite au travers des étanchéités composites en configurations typiques du fond des ISD. Les résultats indiquent une faible influence de la nature de la bentonite dans l’écoulement de liquide au travers les étanchéités composites. Au même temps on a note une certaine influence des chemins préférentielles de flux, notamment pendant le régime transitoire.