Estudo Comparativo de Técnicas de Medição de Sucção Total do Solo: Papel Filtro e um Potenciômetro de Ponto de Orvalho

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1 Estudo Comparativo de Técnicas de Medição de Sucção Total do Solo: Papel Filtro e um Potenciômetro de Ponto de Orvalho Melina Freitas Rocha Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, melinafreitas27@hotmail.com Carlos Alberto Lauro Vargas Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, carloslauro@hotmail.com Gilson de F. N. Gitirana Jr. Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, gilsongitirana@gmail.com Francielle Diemer Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, franciellediemer@gmail.com RESUMO: Existem várias técnicas para a medição de sucção, de forma direta ou indireta. Este artigo apresenta comparações entre a técnica do papel filtro e um potenciômetro de ponto de orvalho (PPO) cujo uso é relativamente menos difundido no meio geotécnico. O papel filtro é uma técnica que tem sido amplamente utilizada, principalmente no Brasil, para medição indireta da sucção. Trata-se de um ensaio que requer um tempo de equilíbrio relativamente extenso, medições meticulosas, um protocolo de execução de ensaio que siga de forma rigorosa os procedimentos adotados quando da calibração do papel filtro, um ambiente com condições de umidade e temperatura controlada e materiais de qualidade. O potenciômetro de ponto de orvalho permite determinar o valor de sucção de forma rápida e prática. O instrumento é amplamente empregado na Agronomia para determinação do ponto de murcha. É avaliada a temperatura para a qual o vapor de água presente no ar passa ao estado líquido na forma de pequenas gotas por via da condensação e obtida a sucção total correspondente à umidade relativa assim obtida, por meio da Lei de Kelvin. A medição de sucções relativamente baixas exige uma avaliação com alta precisão desta temperatura (décimos de milésimos de graus Célcius). No intuito de avaliar e quantificar as duas metodologias utilizou-se um solo decorrente de erosão e outro solo compactado da barragem do Ribeirão João Leite para uma análise comparativa. Como resultados, observou-se que a equação de calibração do papel filtro obtida através do PPO teve um bom ajuste quanto aos valores de sucção determinados pelo equipamento. Pode-se finalmente concluir que há uma grande perspectiva de utilização do equipamento PPO para obtenção de pontos da CCSA. PALAVRAS-CHAVE: Solos não saturados, Papel filtro, WP4C. 1 INTRODUÇÃO A sucção do solo é uma variável fundamental para aplicar a teoria da mecânica dos solos não saturados na engenharia geotécnica. Da mesma forma, a curva característica do solo (i.e., relação entre o teor de água e a sucção) contribui para o entendimento do comportamento, previsão e quantificação das características do solo não saturado frente à variação de umidade, como condutividade hidráulica, resistência ao cisalhamento e o comportamento volumétrico. Vários estudos como: Fredlund, Fredlund, Zakerzadeh (2001); Fredlund, Xing, Huang (1994); Leong, Rahardjo (1997); Mualem (1976); Van Genuchten (1980), Gitirana Jr. e Fredlund (2004) têm mostrado a utilização da CCSA (curva característica solo água) para estimativa de parâmetros do solo, como por

2 exemplo, os métodos de previsão da função de permeabilidade para um solo não saturado. Procedimentos semelhantes também têm sido tomados como forma de previsão da resistência ao cisalhamento dos solos não saturados. Existem várias técnicas para a determinação dos valores de sucção de forma direta ou indireta. O papel filtro é uma técnica que tem sido amplamente utilizada, principalmente no Brasil, para medição indireta da sucção. Tratase de um ensaio que requer um tempo de equilíbrio relativamente extenso, medições meticulosas, um protocolo de execução de ensaio que siga de forma rigorosa os procedimentos adotados quando da calibração do papel filtro, um ambiente com condições de umidade e temperatura controlada e materiais de qualidade. Com a utilização do equipamento WP4C Dewpoint PotenciaMeter (medidor do ponto de orvalho), comercializado pela Decagon Devices Inc., torna-se possível determinar o valor de sucção de forma rápida e prática. O equipamento é amplamente empregado na Agronomia para determinação do ponto de murcha e é de interesse utilizar o mesmo na Engenharia Geotécnica. O objetivo principal desse artigo é analisar a eficiência e a viabilidade do uso do potenciômetro de ponto de orvalho (PPO) para determinação da sucção total comparando com a técnica do papel filtro, bem como a influência da macro-estrutura do material nas leituras de sucção utilizando o equipamento. 2 TÉCNICA DO PAPEL FILTRO O método segundo Marinho (1994) baseia-se no princípio de absorção e equilíbrio existente quando um solo é colocado em contato com um material poroso que possua capacidade de absorver água, a mesma irá passar do solo para o material poroso (papel filtro) até que o equilíbrio seja alcançado. No papel filtro o fluxo de água pode ocorrer de duas meneiras: por fluxo de vapor (onde o papel não está em contato direto com o solo) ou por fluxo capilar (onde o papel encontra-se em contato com o solo). Por fluxo de vapor determina-se a sucção total (uma vez que incorpora forças osmóticas e capilares que retém a molécula de água), onde as moléculas de água têm que vencilhar os poros rompendo as forças capilares no solo e eventualmente forças osmóticas que atuam devido a presença de sais. O espaço de ar deixado entre o solo e o papel filtro fornece uma barreira para os sais, permitindo apenas o fluxo de vapor de água (MARINHO, 1994). Por fluxo capilar determina-se a sucção matricial (neste caso o componente osmótico não age como força adicional que impede o fluxo de água), onde o fluxo ocorre de forma continua através das partículas do solo e das fibras do papel filtro, contabilizando a existência de sais (MARINHO, 1994). Um dos fatores primordiais na execução do ensaio é a utilização da curva de calibração do papel filtro. Borges (2010) obteve a curva de calibração do papel Whatman n 42 e do papel Quanty. O autor concluiu que a precisão dos valores de sucção está intimamente relacionado com a equação de calibração do papel, realizando o ensaio nas mesma condições em que foi obtida e equação de calibração. 3 DEWPOINT POTENCIAMETER (WP4C) O WP4C Dewpoint PotenciaMeter (medidor do ponto de orvalho) é um equipamento utilizado para medir o potencial de água, de forma rápida e precisa. Sua técnica baseia-se no ponto de orvalho (i.e temperatura à qual o vapor de água presente no ar passa ao estado líquido na forma de pequenas gotas por via da condensação), medindo a sucção total das amostras (i.e. sucção osmótica mais a sucção matricial). O ponto de orvalho revela a pressão parcial de vapor de ar em equilíbrio com a amostra em uma câmara selada de medição. O equipamento usa um espelho como meio de detecção do ponto de orvalho das amostras. A temperatura do espelho é precisamente controlada por um refrigerador termoelétrico (Peltier). A detecção exata em que a condensação aparece pela primeira vez no espelho é registrada por uma célula fotoelétrica

3 devido à mudança do feixe de luz na reflexão e a temperatura do ponto de condensação é registrada por um termoelétrico conectado ao espelho. Para reduzir o tempo de equilíbrio o equipamento possui uma ventoinha para circular o ar dentro da câmara de amostras. Os valores começam a ser exibidos no painel do equipamento indicando que medidas iniciais estão sendo tomadas. O WP4C sinaliza piscando um LED verde e apitando quando os valores finais são alcançados e no painel é registrado o potencial de água final e a temperatura da amostra; a Figura 1a, 1b e 1c mostram o equipamento (ROCHA, 2013). (c) Figura 1 WP4C; (a) Equipamento WP4C Dewpoint PotencialMeter; (b) Vista interna do aparelho e da câmara; (c) Vista interna do bloco da câmara (modificado de DECAGON DEVICE, 2010) 3.1 Teoria do potencial de água O potencial de água do solo (ψ) é definido como potencial de energia por unidade de volume de água do poro do solo. O potenciômetro de ponto de orvalho mede a soma do potencial osmótico e matricial, correspondendo portanto à sucção total. O potencial de água pode ser relacionado com a pressão de vapor do ar do solo pela equação: (a) RT p ψ = ln (1) M p 0 (b) Onde: p = pressão parcial de vapor do ar; p0 = pressão de saturação (i.e., condensação), que é função da temperatura do solo; R = constante universal dos gases; T = temperatura do solo; M = é a massa molecular da água. O potenciômetro WP4C mede o potencial hídrico pelo equilíbrio da fase água da amostra com o vapor presente na fase ar, em uma câmara fechada. A amostra é colocada em uma cápsula, que é selada contra o bloco de sensores. Dentro do bloco, representado pela Figura 1 (c), há uma ventoinha, responsável por acelerar o tempo de equilíbrio; há também um espelho, um sensor ótico de condensação (mede a temperatura do ar) e um sensor infravermelho termoelétrico, que mede a temperatura da amostra.

4 Como aspecto fundamental do mecanismo de medição da sucção do PPO, a partir destas medições, a pressão de vapor do ar na câmara é calculada como a pressão de vapor na temperatura de condensação. Quando o potencial de água da amostra e o do ar da câmara estão em equilíbrio, tem-se o potencial de água da amostra. Além do equilíbrio entre a água na fase líquida da amostra e da fase de vapor, o equilíbrio interno da própria amostra é importante. Se a amostra não estiver em equilíbrio interno, pode-se medir uma pressão de vapor de equilíbrio (ao longo do período de medição) que não representa o potencial de água real. Desta forma, adotou-se o armazenamento da amostra da cápsula do PPO (não necessariamente dentro do instrumento) durante pelo menos 30 minutos, antes do início do ciclo de medição. 3.2 Efeito da temperatura da amostra na medição do potencial de água A temperatura desempenha um papel importante na determinação do potencial de água. Da mesma forma, é importante a medida da diferença entre a temperatura da amostra e a do ponto de condensação. Por exemplo: se houver uma diferença de 1 C, um erro de 8 MPa seria o resultado. Para que medidas de potencial de água tenha uma precisão de 0,05 MPa, a diferença de temperatura deve ser de 0,006 C. Além do pré-requisito relecionado com o equilíbrio térmico, surge a necessidade de o instrumento ser capaz de realizar medições de temperatura com precisão de décimo de milésimo de graus Celcius. O termômetro infravermelho do PPO mede a diferença entre a temperatura da amostra e do bloco da câmara. A precisão do termômetro corresponde à essas necessidades, mas tais medições tornam-se difícieis quando as diferenças são grandes, já que flutuações temporais significantes ocorrem nesta condição. Portanto, tem-se uma melhor precisão quando a temperatura da amostra é próxima à da câmara. Outro efeito da temperatura ocorre com amostras que estão próximas à saturação. Uma amostra que está perto de 0,00 MPa e é apenas ligeiramente mais quente do que o bloco da câmara irá condensar água no interior do bloco. Isto irá causar erros na medição, e em medições subsequentes até a condensação desaparecer. No PPO a função Ts Tb, onde Ts é a temperatura da amostra e Tb do bloco da câmara, ajuda o operador a se assegurar de que umidade não condensará sobre o sensor do bloco. Portanto, se após colocar a amostra dentro da câmara e verificar que a amostra encontra-se em uma temperatura mais elevada, (i.e Ts Tb >0) recomenda-se retirar a amostra imediatamente da câmara e deixá-la resfriar em uma superfície fria com tampa, para não perder umidade. Não recomenda-se utilizar a amostra muito fria, ou o período de equilíbrio será prolongado. O ideal é trabalhar com Ts Tb entre 0 e -0,5 C. Além da temperatura é importante ressaltar que a contaminação do bloco de sensores do equipamento pode ocasionar erro nas leituras. 4 MATERIAIS E MÉTODOS Foram selecionados dois solos para as análises, estudados por Rocha (2013) Solo 1 e por Diemer (2013) Solo 2. O Solo 1 é é um solo compactado com baixa compressibilidade do platô da barragem João Leite, Goiânia - GO. O Solo 2 é um solo oriundo de uma erosão formada por solo argiloso fino escuro com presença de areia fina, também de Goiânia - GO. O papel filtro utilizado nos ensaios foi o Whatman n 42. Os corpos de prova do Solo 1 e do Solo 2 foram moldados diretamente de blocos indeformados, retirados durante a execução do platô da barragem e do talude da erosão.foram utilizados anéis de PVC com 5 cm de diâmetro e 2 cm de altura, com uma das extremidades biselada. Os valores de sucção obtidos neste artigo foram sempre em trajetórias de secagem. Todas as amostras foram submetidas à saturação por ascensão capilar, sendo posteriormente submetidas à secagem até massas correspondentes a variados teores de umidade. A massa total pretendida foi calculada

5 previamente a partir dos índices físicos de cada corpo de prova. A disposição dos papéis podem ser visualizadas na Figura 2. Depois de embaladas em papel filme e papel alumínio, os corpos de provas permaneceram armazenados por 14 dias. Após este período de equilíbrio, os papéis foram retirados e pesados em balança com precisão de 0,0001 g, sempre utilizando diferencial de massa, para minimizar erros de nivelamento da balança. Em seguida, os corpos de prova foram utilizados para determinação da sucção utilizando o PPO. Papel filtro sucção total Calço de PVC perfurado Corpo de prova Papel filtro superior - proteção Papel filtro sucção matricial Papel filtro inferior - proteção Plástico filme Papel alumínio Figura 2. Montagem utilizada no ensaio de papel filtro. Foram realizadas medições com o PPO utilizando dois tipos de amostras; uma denominada de indeformada (i.e foram retiradas lascas dos corpos de prova do papel filtro) e outra deformada (i.e solo destorroado durante 20 segundos). A Figura 3 representa os dois tipos de amostras estudadas. A utilização dos dois tipos de amostras foi motivada pela dificuldade de realização de medições com amostras indeformadas. Figura 3. Tipos de amostras ensaiadas, Solo 1. Para o cálculo da sucção utilizou-se a equação de calibração do papel filtro Whatman n 42 obtida através do PPO conforme representado pela equação 2. sucção Onde: Deformada Indeformada 77,33) / 6,58 e (w PF = (2) wpf = corresponde a umidade do papel filtro. 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES Analisando os resultados das leituras obtidas pelo WP4C pode-se perceber boa concordância entre os dois tipos de amostras. As Figuras 4 e 5 mostram que os valores de sucção de amostras deformadas e indeformadas são congruentes. Tem-se, desta forma, a indicação de que a estrutura do solo associada com a água nela armazenada para as sucções medidas foi preservada ou que o papel da estrutura não foi relevante. Podendo afirmar que em termos de sucção total a macro-estrutura da amostra não teve muita influência quando utilizado o PPO.

6 Teor de umidade, % Sucção Total (kpa) PPO indeformada Figura 4. Dados obtidos pelo PPO, Solo 1. PPO deformada Na Figura 5 pode-se observar claramente a congruência entre os resultados com as duas amostras, ficando bem próximo à linha de proporcionalidade. Sucção PPO indeformada (kpa) 1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 Sucção PPO deformada (kpa) Figura 5. Comparativo entre os tipos de amostras, Solo 1. Comparando a técnica do papel filtro com o PPO observa-se uma boa concordância nos resultados, deixando esperançoso o uso do equipamento para obtenção dos valores de sucção total conforme representado na Figura 6 e 7. Teor de umidade, % Sucção Total (kpa) PPO indeformada PPO deformada Papel Filtro Eqç. WP4C Figura 6. Comparativo entre a técnica do papel filtro e o PPO, Solo 1. Teor de umidade, % Sucção Total (kpa) PPO deformada Papel filtro Eqç. PPO Figura 7. Comparativo entre a técnica do papel filtro e o PPO, Solo 2. Analisando a Figura 8 e 9 percebe-se que os valores de sucção utilizando a técnica do papel filtro com os valores do WP4C apresentam uma boa congruência. Os valores do papel filtro deram um pouco abaixo que o do equipamento em alguns pontos, uma das justificativas pode ser a perda de umidade durante a retirada do papel da amostra e sua pesagem, obtendo-se valores inferiores de sucção ou até mesmo o tempo insuficiente de equilíbrio da técnica do papel filtro quanto aos valores de sucção total. O uso do PPO mostra-se bastante apto para obtenção de alguns pontos da CCSA, necessitando de mais pesquisa, para certificar a precisão em algumas faixas de sucção, como abaixo de 100 kpa.

7 Sucção PPO (kpa) 1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 Sucção Total papel filtro (kpa) PPO deformada PPO indeformada Figura 8. Comparativo sucção PPO x papel filtro, Solo 1. Sucção PPO (kpa) 1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 Sucção Total papel filtro (kpa) Figura 9. Comparativo sucção PPO x papel filtro, Solo 2. 6 CONCLUSÕES Ressalta-se que o uso do PPO tem um limite de sucção, seu alcance vai de 0 à kpa, de 0 a 100 kpa tem-se leituras com baixa precisão sendo recomendável usá-lo apenas acima de 100 kpa para obtenção da sucção total. Portanto para uma obtenção perfeita da CCSA pode-se utilizar o equipamento como forma de complementação a outras metodologias. A utilização do PPO para obtenção da sucção total dentro da faixa limítrofe do equipamento mostrou-se de excelente concordância com o papel filtro, trazendo uma boa perspectiva do uso do mesmo para obtenção de uma parte da CCSA dentro da engenharia geotécnica, trazendo maior rapidez e praticidade para obtenção dos valores de sucção. Os valores de sucção determinados segundo a técnica do papel filtro utilizando a equação de calibração do papel filtro obtida através do PPO, mostrou-se de excelência concordânica com os valores de sucção quando comparados aos valores diretamente pelo equipamento. Devendo-se atentar ao tempo de pesagem do papel filtro e ao tempo de equilíbrio das amostras, quanto à sucção total. Na tentativa de analisar a influência da estrutura na utilização do PPO observou-se que amostras com a mesma estrutura utilizada no papel filtro (i.e., indeformada) e amostras deformadas apresentaram valores semelhantes de sucção total, não sendo detectado a influência da macro-estrutura dos valores de sucção. AGRADECIMENTOS Agradeço a CAPES, aos meus professores pelo apoio e a Universidade Federal de Goiás pela concretização desse trabalho. REFERÊNCIAS Angelim, R. R. (2011). Desempenho de Ensaios Pressiométricos em Aterros Compactados de Barragens de Terra na Estimativa de Parâmetros Geotécnicos. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Brasília, 291p. Borges, C. R. (2010) Comportamento hidráulico de um perfil de solo não saturado de Aparecida de Goiânia- GO. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal de Goiás, Escola de Engenharia Civil, Goiânia, 257p. 2v. Decagon Devices, (2010) Operator s Manual Dewpoint PotencialMeter, Inc NE Hopkins Court Pullman, WA USA, 66p. Diemer, F; Gitirana Jr. G. F. N.; Vargas, C. L. A. (2013). Avaliação sazonal e espacial da resistência do talude d e uma voçoroca utilizando um penetrômetro dinâmico, GEOCENTRO 3º Simpósio de Prática de Engenharia Geotécnica na Região Centro-Oeste, 9 p. Fredlund, D. G.; Xing, A. e Huang, S. (1994). Predicing the permeability function for unsaturated soils using the soil-water characteristic curve, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 31, p Fredlund, D. G.; Rahardjo, H. (1993). Soil Mechanics for Unsaturated Soil, 1st ed., John Wiley & Sons, Inc. New York, USA, 517p. Gitirana Jr., G. F. N. e Fredlund, D. G. (2004). Soil water characteristic curve equation with independent

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