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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2021.tde-04012022-160543
Documento
Autor
Nome completo
Fernando Luiz Lavoie
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2021
Orientador
Banca examinadora
Silva, Jefferson Lins da (Presidente)
Lebrão, Guilherme Wolf
Lopes, Maria de Lurdes da Costa
Luz, Marta Pereira da
Palmeira, Ennio Marques
Título em inglês
Study on the durability of HDPE geomembranes applied to geotechnics and the environment using laboratory aged samples and in situ exhumed samples
Palavras-chave em inglês
Aging
Durability
HDPE geomembrane
Physical analysis
Thermal analysis
Resumo em inglês
The polymer demand for geotechnical applications has been growing. The geomembrane is a geosynthetic, manufactured, polymeric product and is often specified in environmental and hydraulic projects. Over the past forty years, millions of square meters of HDPE geomembrane have been used in different applications. One of the most important issues for HDPE geomembranes is the durability, involving very long-term property requirements. This work analyzed exhumed and laboratory aged HDPE geomembrane samples using physical and thermal analyses. The virgin samples evaluated in this research were smooth and with nominal thicknesses of 1.0 (1L sample), 1.5 (1.5L sample) and 2.0 mm (2L sample). The exhumed samples were collected in different Brazilian construction works in many geotechnical and environmental applications. The CLIQ sample was exhumed from an industrial water pond after 2.25 years of field exposure. The LTE sample was exhumed from an aeration pond by sewage treatment after 2.75 years of exposure. The LCH sample was exhumed from a municipal landfill leachate pond after 5.17 years of exposure. The MIN and MIN2 samples were exhumed from mining facilities after, respectively, 7.92 and 10.08 years of exposure. The LDO sample was exhumed from a biodegradable waste pond after 15.17 years of exposure. The CAM, CAM1 and CAM2 samples were exhumed from shrimp farming ponds, that the CAM and CAM1 samples were exhumed from the same pond, but the CAM sample was taken from the bottom liner and the CAM1 sample from the slope liner, both after 8.25 years of exposure. The CAM2 sample was taken from another shrimp farming pond after 3.0 years of field exposure. The analyzed exhumed geomembranes demonstrated several changes in their properties, including low stress crack resistance (SCR) values and low Std. OIT (oxidative-induction time), which could conduct a liner rupture in a short-term, except for the LCH sample, the thickest exhumed sample, which presented good performance in the physical properties, but some changes in thermal decomposition. For the UV fluorescent radiation, after 8760 h of exposure, the 1L sample demonstrated losses in tensile properties and a considerable antioxidant depletion, changing its performance as a liner. It was observed that the 1.5 mm-thick HDPE geomembrane had losses in SCR, high antioxidant consumption, a change in the thermal behavior before the melting point, but maintained the viscosity of the polymer and preserved the ductility. The virgin samples presented several changes in some evaluated properties after the thermal exposure (8760 h) and the synergy exposure to UV radiation (8760 h) and thermal aging (4380 h), highlighting for the MFI (melt flow index) results, which demonstrated the occurrence of cross-linking reactions for all samples. Moreover, all samples presented considerable changes in SCR behavior and high antioxidant depletion. Finally, this research evidenced the necessity to homogenise the resins and additives of the Brazilian HDPE geomembranes to guarantee products with long-term durability, avoiding losses in terms of human lives, environmental impacts, and financial costs.
Título em português
Estudo sobre a durabilidade de geomembranas de PEAD aplicadas na geotecnia e meio ambiente por meio de amostragens envelhecidas em laboratório e exumadas in situ
Palavras-chave em português
Análise física
Análise térmica
Durabilidade
Envelhecimento
Geomembrana de PEAD
Resumo em português
A demanda de polímeros para aplicações geotécnicas vem crescendo. A geomembrana é um produto geossintético, manufaturado, polimérico e frequentemente especificado em projetos ambientais e hidráulicos. Nos últimos quarenta anos, milhões de metros quadrados de geomembrana de PEAD foram usados em diferentes aplicações. Uma das questões mais importantes para geomembranas de PEAD é a durabilidade, envolvendo requisitos de propriedade de muito longo prazo. Este trabalho analisou amostras de geomembrana de PEAD exumadas em campo e envelhecidas em laboratório usando análises físicas e térmicas. As amostras virgens avaliadas nesta pesquisa eram lisas e com espessuras nominais de 1,0 (amostra 1L), 1,5 (amostra 1,5L) e 2,0 mm (amostra 2L). As amostras exumadas foram coletadas em diferentes obras brasileiras em diversas aplicações geotécnicas e ambientais. A amostra CLIQ foi exumada de uma lagoa de água industrial após 2,25 anos de exposição em campo. A amostra LTE foi exumada de uma lagoa de aeração de uma estação de tratamento de esgoto após 2,75 anos de exposição. A amostra de LCH foi exumada de uma lagoa de chorume de um aterro sanitário após 5,17 anos de exposição. As amostras MIN e MIN2 foram exumadas de obras de mineração após, respectivamente, 7,92 e 10,08 anos de exposição. A amostra LDO foi exumada de uma lagoa de resíduos biodegradáveis após 15,17 anos de exposição. As amostras CAM, CAM1 e CAM2 foram exumadas de lagoas de carcinicultura, As amostras CAM (base) e CAM1 (talude) foram exumadas da mesma lagoa, ambas após 8,25 anos de exposição. A amostra CAM2 foi retirada de outra lagoa de carcinicultura após 3,0 anos de exposição em campo. As geomembranas exumadas analisadas demonstraram várias alterações em suas propriedades, incluindo baixos valores de resistência ao stress cracking (SCR) e baixos valores de OIT padrão (tempo de indução oxidativa), podendo conduzir a ruptura da barreira de fluxo em curto prazo, exceto para a amostra LCH, a mais espessa, que apresentou bom desempenho nas propriedades físicas, mas algumas alterações na decomposição térmica. Para a radiação UV fluorescente, após 8760 h de exposição, a amostra 1L demonstrou perdas nas propriedades de tração e um considerável consumo de antioxidantes, alterando seu desempenho como barreira de fluxo. Observou-se que a geomembrana de PEAD de 1,5 mm de espessura apresentou perdas no SCR, alto consumo de antioxidantes, alteração do comportamento térmico antes do ponto de fusão, mas manteve a viscosidade do polímero e preservou a ductilidade. As amostras virgens apresentaram diversas alterações em algumas propriedades avaliadas após a exposição térmica (8760 h) e exposição sinérgica à radiação UV (8760 h) e envelhecimento térmico (4380 h), com destaque para os resultados de índice de fluidez (MFI), que demonstraram a ocorrência de reações de ligação cruzada para todas as amostras. Além disso, todas as amostras apresentaram mudanças consideráveis no comportamento do SCR e alto consumo de antioxidantes. Por fim, esta pesquisa evidenciou a necessidade de homogeneizar as resinas e aditivos das geomembranas brasileiras de PEAD para garantir produtos com durabilidade de longo prazo, evitando perdas em vidas humanas, impactos ambientais e custos financeiros.
 
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Data de Publicação
2022-01-05
 
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