Notas de aula prática de Mecânica dos Solos I (parte 5)

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1 1 Notas de aula prática de Mecânica dos Solos I (parte 5) Helio Marcos Fernandes Viana Tema: Aula prática: Ensaios de determinação dos índices físicos, e ensaio de granulometria Conteúdo da aula prática 5 1 Ensaios de determinação dos índices físicos 2 Ensaio de granulometria

2 2 1 Ensaios de determinação dos índices físicos 1.1 Introdução Os principais ensaios de determinação dos índices físicos, que são usados rotineiramente nos laboratórios são: -> Ensaio de peso específico natural; -> Ensaio de teor de umidade; e -> Ensaio de peso específico dos sólidos. A seguir, são apresentados as principais características, e procedimentos dos ensaios usados na determinação dos índices físicos. 1.2 Ensaio peso específico natural A determinação do peso específico natural pode ser feita por vários métodos: método do corpo-de-prova moldado em laboratório, método do frasco e areia, e método do cilindro de cravação. Nesta parte do curso de Mecânica dos solos I, será considerada a determinação do peso específico natural pelo método do corpo-de-prova moldado em laboratório. OBS(s). a) Detalhes sobre o método do cilindro de cravação, que é usado no campo, em solos finos ou coesivos consulte a NBR 9813 (1987); e b) A determinação do peso específico natural do solo pelo ensaio do frasco e areia, é mais usado para controle de compactação de aterros no campo; O ensaio frasco e areia e não é usado rotineiramente em laboratórios. Para obter detalhes deste ensaio consulte Caputo (2007) volume Determinação do peso específico natural do solo pelo método do corpode-prova moldado em laboratório Os principais procedimentos do ensaio peso específico natural com corpode-prova moldado em laboratório são os que se seguem: a) Retira-se do canto de um bloco indeformado de solo uma amostra prismática cujas dimensões são 8x8x15 cm como mostra a Figura 1.1b; b) Terminada a retirada da amostra prismática de 8x8x15 cm, deve-se aplicar parafina sobre as partes descobertas do bloco indeformado de onde foi tirada a amostra prismática de 8x8x15 cm;

3 3 Figura Bloco indeformado (a), amostra prismática (b), e corpo-de-prova (c), para determinação da massa específica natural c) Então, inicia-se a moldagem de um corpo-de-prova cilíndrico retirando o excesso de solo do topo e da base da amostra prismática 8x8x15 cm, que foi retirada do bloco indeformado. Assim sendo, a altura da amostra prismática deve ficar entre 10,5 e 13,0 cm, e o topo e a base da amostra prismática devem ser aplainados (tornados planos); d) Na sequência, a amostra prismática é levada para o torninho de talhagem, e com o auxílio de uma faca ou espátula, retira-se o excesso de solo lateral da amostra prismática, até a mesma se tornar em um corpo-de-prova cilíndrico; e) Após a talhagem, o corpo-de-prova cilíndrico moldado no torninho de talhagem deverá possuir, aproximadamente, 12,5 cm de altura e 5 cm de diâmetro, como mostra a Figura 1.1c; f) A determinação do volume do corpo-de-prova é feita a partir da média de 5 (cinco) determinações da altura do corpo-de-prova; e a partir média de 5 (cinco) determinações do diâmetro do corpo-de-prova como recomenda Nogueira (2001); OBS. Para fazer as determinações da altura e do diâmetro do corpo-de-prova utilizase um paquímetro. g) Após a determinação do volume do corpo-de-prova; Então, o corpo-de-prova é levado para uma balança para determinar seu peso; e h) Finalmente, dividi-se o peso do corpo-de-prova pelo seu volume, e então, determina-se o peso específico natural do solo. A Figura 1.2 ilustra a talhagem do corpo-de-prova no torninho de talhagem para o ensaio peso específico natural.

4 4 Figura Talhagem do corpo-de-prova no torninho de talhagem para o ensaio peso específico natural Equipamentos utilizados no ensaio de peso específico natural do solo No ensaio de peso específico natural do solo são utilizados os seguintes equipamentos: a) Faca ou espátula de talhagem do corpo-de-prova; b) Torninho de talhagem do corpo-de-prova; c) Panela para conter a parafina derretida; d) Fogão de uma boca para derreter a parafina; e) Pincel para aplicar a parafina na amostra indeformada; f) Balança capaz de pesar 1 kg, com precisão de 0,01 g; e g) Paquímetro. OBS. Para realização do ensaio também é necessário que a parafina seja aplicada no bloco indeformado, após a retirada da amostra para moldagem do corpo-deprova.

5 Considerações finais acerca da determinação do volume do corpo-deprova para o ensaio de peso específico natural As 5 (cinco) determinações da altura do corpo-de-prova são feitas com um ângulo de cerca de 70º entre cada determinação de altura. As 5 (cinco) determinações do diâmetro do corpo-de-prova são feitas, aproximadamente, em: 0,1.h; 0,3.h; 0,5.h; 0,7.h; e 0,9.h, onde h é a altura do corpode-prova. 1.3 Ensaio teor de umidade O ensaio teor de umidade é o ensaio mais utilizado na mecânica dos solos Principais procedimentos do ensaio teor de umidade, que é geralmente realizado no laboratório Os principais procedimentos do ensaio teor de umidade do solo, que é geralmente utilizado em laboratório são os que se seguem: a) Toma-se uma porção cerca de 50 g de solo, colocando-a numa cápsula com tampa; b) O conjunto solo úmido mais cápsula é pesado em uma balança com precisão de 0,01 g; c) Na sequência, a cápsula é destampada e levada à estufa até a constância de peso, isto é, até o solo ficar seco. Geralmente, 24 h é o tempo necessário para o solo secar na estufa entre 105 e 110 o C; d) Após o solo secar, pesa-se o conjunto solo seco mais cápsula; e e) Finalmente, pode-se calcular o teor de umidade do solo com base na seguinte equação: P2 P1 W.100% em que: P1 P0 W = teor de umidade; P 2 = peso do solo úmido mais peso da cápsula; P 1 = peso do solo seco mais peso da cápsula; e P 0 = tara ou peso da cápsula. (1.1) OBS. Existe um método de determinação rápida do teor de umidade do solo chamado SPEED, o qual é usado para controle de compactação de aterros no campo; A determinação do teor de umidade pelo método SPEED será apresentada em uma aula futura relacionada à compactação dos solos.

6 Equipamentos utilizados no ensaio teor de umidade do solo No ensaio teor de umidade do solo são utilizados os seguintes equipamentos: a) Cápsula de alumínio; b) Balança capaz de pesar 1 kg de solo, com precisão de 0,01 g; c) Estufa capaz de manter temperatura entre 105 e 110 o C; e d) Pinça para retirar a cápsula quente da estufa. 1.4 Ensaio peso específico dos sólidos O peso específico dos sólidos é um índice físico importante para traçado da curva de distribuição granulométrica dos solos, que é usada na classificação dos solos Principais características do ensaio de peso específico dos sólidos O ensaio de peso específico dos sólidos possui as seguintes características: i) Primeiramente, toma-se uma amostra de 250 g de solo passante na peneira # 4,8 mm; ii) Determina-se a umidade da amostra de 250 g; iii) Em seguida, da amostra de 250 g, toma-se uma porção de cerca 60 g para solos arenosos, ou de cerca de 50 g para solos argilosos; iv) Coloca-se a porção de 50 ou 60 g (conforme o tipo de solo) em um Béquer com água destilada, e então, deixa-se a mistura em repouso por 12 horas; v) Na sequência, transfere-se a mistura em repouso para o copo do dispersor, e acrescenta-se água destilada até metade do copo dispersor, e então, dispersar a mistura durante 15 minutos; vi) Após a dispersão, transfere-se a mistura, cuidadosamente, para o picnômetro, e completa-se com água destilada até a metade do picnômetro. Então, posteriormente, aplica-se 15 minutos de vácuo ao picnômetro; vii) Em seguida, acrescentar-se mais água destilada ao picnômetro, até 1 cm abaixo da base do gargalo, e então aplica-se mais 15 minutos de vácuo ao picnômetro; OBS(s). a) Gargalo é a parte tubular do picnômetro; e b) O vácuo aplicado à mistura solo mais água destilada serve para remoção do ar aderente as partículas de solo.

7 7 viii) Após aplicação de vácuo, acrescenta-se água destilada ao picnômetro até que a base do menisco coincida com a marca de referência no gargalo do picnômetro; OBS. Menisco é a superfície curva que aparece nos líquidos quando estão em tubos finos. ix) Nesta fase, cuidadosamente, pesa-se o picnômetro, e determina-se a temperatura do conteúdo do picnômetro; xi) Após, pesar o picnômetro, calcula-se o peso específico dos sólidos do solo, que está sendo ensaiado; e xii) Finalmente, realiza-se um novo ensaio, com uma segunda porção de solo, pois o resultado final do ensaio peso específico dos sólidos será uma média de 2 (dois) ensaios, quando os resultados dos 2 (dois) não diferirem mais de 0,02 g/cm Equação para cálculo do peso específico dos sólidos O peso específico dos sólidos pode ser obtido com base na seguinte equação: (P1 100)/(100 W) S W (P (1.2) 1 100)/(100 W) P3 P2 em que: S = peso específico dos sólidos (g/cm 3 ); W = peso específico da água (em g/cm 3 ), na temperatura T ( o C) P 1 = peso da amostra de solo úmido utilizada no ensaio (g); P 2 = peso do conjunto: picnômetro, solo, e água (em g), na temperatura T ( o C); P 3 = peso do conjunto: picnômetro e água (em g), na temperatura T ( o C); e W = teor de umidade do solo (%). OBS(s). a) P 2 é determinado, quando a base do menisco de água coincide com a marca no gargalo do picnômetro; b) No ensaio de peso específico dos sólidos usa-se, apenas, água destilada; e c) g = gf (grama força), e se relaciona à força peso Principais equipamentos utilizados no ensaio de peso específico dos sólidos Os principais equipamentos utilizados no ensaio de peso específico dos sólidos são: a) Estufa capaz de manter a temperatura entre 105 e 110 o C; b) Aparelho dispersor, com hélices metálicas substituíveis, e com copo munido de chicanas metálicas; c) Picnômetro de 500 cm 3, devidamente calibrado a 20 o C; d) Bomba de vácuo com registros, vacuômetro e conexões, que é capaz de aplicar um vácuo de 88 kpa (ou 66 cm de Hg, mercúrio, a 0 o C), para remoção do ar aderente as partículas de solo;

8 8 e) Termômetro de 0 a 50 o C, graduado em 0,1 o C; f) Balança que permita pesar nominalmente até 1,5 kg, com resolução de 0,01 g; g) Funil de vidro; h) Bureta com diâmetro que passe pelo gargalo do picnômetro; i) Conta-gotas; j) Cronômetro; l) 2 béqueres com capacidade de 250 cm 3 ; e m) Toalha de mão para secar eventuais partículas de água na superfície externa do picnômetro. OBS. Além do solo, para realização do ensaio é necessário água destilada. Portanto, o laboratório deverá possuir um destilador de água Padronização do ensaio de massa específica dos sólidos A norma utilizada para o ensaio é a NBR 6508 (1984) da ABNT, intitulada: Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm - determinação da massa específica. OBS. Optou-se por utilizar o termo peso específico, por entender que este termo atende melhor ao conceito de força da Física, e também porque este termo está de acordo com Caputo (2007) e com Pinto (2006). A Figura 1.3 ilustra amostras de solos, que ficaram em repouso em água destilada por 12 horas para realização dos ensaios peso específico dos sólidos. Figura Amostras de solos, que ficaram em repouso em água destilada por 12 horas para realização dos ensaios peso específico dos sólidos

9 9 A Figura 1.4 ilustra um picnômetro e outros acessórios, tais como: bomba de vácuo, balança, cronômetro, termômetro e etc., utilizados no ensaio peso específico dos sólidos, no Laboratório de Transportes da Escola de Engenharia de São Carlos - USP. Figura Picnômetro e outros acessórios, tais como: bomba de vácuo, balança, cronômetro, termômetro e etc., utilizados no ensaio peso específico dos sólidos Figura 1.5 mostra um picnômetro conectado à bomba de vácuo para retirada das bolhas de ar da água, durante o ensaio de peso específico dos sólidos. Figura Picnômetro conectado à bomba de vácuo para retirada das bolhas de ar da água, durante o ensaio de peso específico dos sólidos

10 10 2 Ensaio de granulometria A mediada do tamanho das partículas constituintes do solo é feita por meio da granulometria, e a representação dessa medida se dá por meio da curva de distribuição granulométrica. Através da curva de distribuição granulométrica, e dos resultados dos ensaios LL e LP é possível classificar o solo pelos sistemas HRB (Highway Research Board, atual TRB) e USCS (Unifield Soil Classification System). A curva de distribuição granulométrica é o resultado final do ensaio de granulometria. OBS. TRB significa Trasportation Research Board. 2.1 Principais características do ensaio de granulometria O ensaio de granulometria pode ser dividido em quatro partes, as quais são: a) Fase de divisão da amostra; b) Fase de sedimentação; c) Fase de peneiramento fino; e d) Fase de peneiramento grosso. a) Características da fase de divisão da amostra As principais características da fase de divisão da amostra para o ensaio de granulometria são as que se seguem: i) Inicialmente, toma-se uma amostra de solo seca ao ar, do material passado na peneira 76 mm; OBS. A quantidade de amostra a ser tomada para o ensaio de granulometria, depende da dimensão máxima do grão encontrado no solo como indica a Tabela 2.1. Tabela Tamanho da amostra para ensaio de granulometria em função da dimensão dos maiores grãos Dimensão (d) dos maiores grãos contidos na amostra, determinada por obsevação visual (mm) Quantidade míma da amostra (kg) d < < d < 25 4 d > 25 8

11 11 ii) Em seguida, determina-se o peso da amostra seca ao ar (Mt); iii) Após pesar a amostra seca ao ar, deve-se passar a amostra pela peneira 2 mm, e então, determinar o peso de solo retido na peneira de 2 mm (Mg); iv) Na sequência, cuidadosamente, deve-se separar o material retido na peneira 2 mm para fase o peneiramento grosso; v) Quanto ao material que passa na peneira de 2 mm, deve-se determinar umidade higroscópica (água higroscópica é a água que se encontra em um solo seco ao ar livre); e vii) Finalmente, determina-se o peso total da amostra seca (Ms), com base na seguinte equação: M S (Mt Mg ) 100 Mg (100 W) (2.1) em que: Ms = peso total da amostra seca; Mt = peso da amostra seca ao ar; Mg = peso do material retido na peneira de 2 mm; e W = umidade higroscópica do material passado na peneira de 2,0 mm. b) Características da fase de sedimentação i) Inicialmente, deve-se tomar uma porção do solo, que passou na peneira de 2 mm, para determinação da umidade higroscópica (a umidade será a média de três determinações); OBS: Água higroscópica é a água que se encontra em um solo seco ao ar livre. ii) Na sequência, deve-se tomar uma porção do solo, que passou na peneira de 2 mm, para o ensaio de sedimentação. A porção será de 120 g para solos arenosos ou de 70 g para solos argilosos; iii) A porção de solo tomada, anteriormente, deve ser misturada com 125 cm 3 de uma solução de hexametafosfato de sódio, e então, deve-se deixar a mistura em repouso por 12 horas, no mínimo; iv) Após o repouso da mistura, deve-se levar a mistura ao dispersor e dispersá-la por 15 minutos; v) Após a dispersão da mistura, deve-se, transferir a mistura para proveta de 1000 cm 3, e completar a proveta com água destilada até o traço correspondente a 1000 cm 3 (ou ml); vi) Nesta fase, a proveta deverá ser agitada por 1 min., e então, a proveta será colocada sobre uma mesa e o cronômetro será disparado;

12 12 vii) Após disparar o cronômetro, deve-se colocar o densímetro na proveta e realizar leituras para 30 segundos, e para 1 e 2 minutos; viii) Na sequência do ensaio, deve-se retirar o densímetro da proveta, mas recolocálo para as leituras de 4, 8, 15 e 30 minutos, e também para as leituras de 1, 2, 4, 8 e 24 horas; e OBS. Após cada leitura no densímetro; Então, o densímetro é retirado da proveta, e é realizada a medida da temperatura na proveta. ix) Finalmente, deve-se realizar os cálculos da fase de sedimentação. A Figura 2.1 mostra uma foto tirada durante os ensaios de granulometria conjunta, realizados por um engenheiro no Laboratório de Transportes da Escola de Engenharia de São Carlos - USP. Percebe-se, na foto, alguns solos sendo ensaiados nas provetas sobre a mesa, e o engenheiro segurando em uma das mãos o densímetro utilizado no ensaio. Figura Alguns ensaios de granulometria sendo realizados por um engenheiro no Laboratório de Transportes da Escola de Engenharia de São Carlos - USP

13 13 c) Características da fase de peneiramento fino i) Após a leitura de 24 horas, verter o material da proveta na peneira de # (malha) 0,075 mm, e proceder a lavagem do material em água potável; ii) Na sequência, o material lavado, na peneira # (malha) 0,075 mm, deverá ser secado em estufa, a temperatura entre 105 e 110 ºC; iii) Após a secagem, deve-se passar o solo seco pela bateria de peneiras: 1,2; 0,6; 0,42; 0,25; 0,15; e 0,075 mm, e anotar o peso de solo retido em cada peneira; e iv) Finalmente, deve-se realizar os cálculos da fase de peneiramento fino. d) Características da fase de peneiramento grosso i) Inicialmente, deve-se lavar o solo retido na peneira de 2 mm, e secá-lo em estufa (entre 105 e 110 o C); ii) Na sequência, deve-se pesar o solo que foi seco na estufa; iii) Após secar o solo em estufa, deve-se passar o solo seco por um conjunto de peneiras de 50; 38; 25; 19; 9,5; e 4,8 mm, somando-se o peso de solo retido acumulada em cada peneira; e iv) Finalmente, deve-se realizar os cálculos da fase de peneiramento grosso, e traçar a curava granulométrica do material. OBS. Muitas vezes, 100% da amostra de solo passa na peneira de 2 mm, o que dispensa a fase de peneiramento grosso. 2.2 Principais equipamentos utilizados no ensaio de granulometria Os principais equipamentos utilizados no ensaio de granulometria são: a) Estufa capaz de manter a temperatura entre 105 e 110 o C; b) Balanças que permitam pesar nominalmente 200 g, 1,5 kg, 5 kg e 10 kg, com resoluções de 0,01 g, 0,1 g, 0,5 g e 1 g respectivamente; c) Recipientes adequados, tais como dessecadores, que permitam guardar amostras sem variação de umidade. A prática tem demonstrado que sacos plásticos podem desempenhar esta função; d) Aparelho dispersor, com hélices substituíveis, e com copo munido de chicanas. A rotação da hélice do aparelho não deve ser inferior a 9000 rpm; e) Proveta de vidro, com cerca de 45 cm de altura e 6,5 cm de diâmetro, com traço de referência indicando 1000 cm 3 (ou 1000 ml) a 20 o C; f) Densímetro de bulbo simétrico, calibrado a 20 o C e com resolução de 0,001, graduado de 0,995 a 1,050; g) Termômetro de 0 a 50 o C, graduado em 0,1 o C; h) Cronômetro com indicação de segundos; i) Béquer de vidro, com capacidade de 250 cm 3 ;

14 14 j) Proveta de vidro, com capacidade de 250 cm 3 (ou 250 ml) e resolução de 2 cm 3 (ou 2 ml) k) Tanque de banho, com dimensões adequadas à imersão das provetas até o traço de referência, capaz de manter a temperatura da suspensão aproximadamente constante durante a fase de sedimentação; Este tanque é usado em locais de ensaio, onde a temperatura não é constante; l) Peneiras de 50; 38; 25; 19; 9,5; 4,8; 2,0; 1,2; 0,6; 0,42; 0,25; 0,15 e 0,075 mm; e ainda o fundo final para peneiras; m) Agitador mecânico de peneiras, com dispositivo para fixação de até seis peneiras, inclusive tampa e fundo; o) Baqueta (ou vareta) de vidro; p) Bisnaga (para esguichar água destilada nas partículas presas ao copo do dispersor); q) Funil de vidro; e r) Destilador de água. 2.3 Materiais utilizados para realização do ensaio de granulometria Além do solo, para realização do ensaio de granulometria é necessário: a) Água destilada; b) Hexametafosfato de sódio (usado para preparar a solução defloculante, a qual evita que as partículas finas formem flocos ou grumos e depositem rapidamente na fase de sedimentação); c) Carbonato de sódio (para atuar no PH da solução defloculante, a qual deverá ficar com PH básico entre 8 e 9); e d) Papel marcador de PH. Observações sobre a água destilada: a) Destilar significa transformar a substância do estado líquido para o estado de vapor (vaporização), e depois do estado de vapor para o estado líquido por condensação (ou resfriamento do vapor) da substância; b) O processo de destilação da água permite que seja eliminada da água sais minerais e partículas de argila, obtendo-se assim a água destilada ou água pura (H 2 O), que é utilizada nos ensaios de laboratório; c) Muitas vezes, a água destilada reage com o CO 2 (dióxido de carbono) do ar fazendo com que a água destilada deixe de ser totalmente pura; d) A água destilada é considerada uma água leve, pois não possuindo sais apresenta peso específico um pouco menor que outros tipos de água; e e) A água da chuva oriunda da evaporação da água do mar, rios e lagos é considerada água destilada; Contudo, a água da chuva está sujeita a reagir com o CO 2 (dióxido de carbono) presente no ar deixando de ser totalmente pura.

15 Padronização do ensaio de granulometria A norma utilizada para o ensaio é a NBR 7181 (1984) da ABNT, intitulada: Solo - análise granulométrica. OBS. A norma 7181 (1984) apresenta as formulações utilizadas para realização dos cálculos do ensaio de granulometria, e para o traçado da curva granulométrica. 2.5 Curva de distribuição granulométrica Como já comentado, a curva de distribuição granulométrica é o resultado final do ensaio de granulometria. A curva de distribuição granulométrica apresenta as seguintes características: a) O gráfico da curva granulométrica é semilogarítmico; b) No eixo das abscissas tem-se o tamanho das partículas na escala logarítmica; c) No eixo das ordenadas, à esquerda, tem-se a porcentagem retida acumulada nas peneiras, em peso; Ou seja, a porcentagem de solo, em peso, com diâmetros maiores do que o diâmetro em análise (ou considerado); e d) No eixo das ordenadas, à direita, tem-se a porcentagem que passa pelas peneiras, em peso; Ou seja, a porcentagem de solo, em peso, com diâmetros menores do que o diâmetro em análise (ou considerado). A Figura 2.2 ilustra um exemplo de uma curva de distribuição granulométrica. Figura Exemplo de uma curva de distribuição granulométrica

16 Comentário final acerca do ensaio de granulometria A utilização do programa Excel, do Microsoft Office, torna fácil os cálculos do ensaio de granulometria, bem como o traçado do gráfico da curva de distribuição granulométrica. É possível, um único técnico, iniciar vários ensaios de granulometria em um único dia (até 7, sete, ensaios). Referências bibliográficas ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm - determinação da massa especifica. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Solo - análise granulométrica. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Solo - Amostras de solo - Preparação para ensaios de compactação e de caracterização. Rio de Janeiro ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Solo - Determinação da massa especifica aparente, in situ, com o emprego do cilindro de cravação. Rio de Janeiro BUENO, B. S.; VILAR, O. M. Mecânica dos solos. Apostila 69. Viçosa - MG: Universidade Federal de Viçosa, p. CAPUTO, H. P. Mecânica dos solos e suas aplicações (fundamentos). Vol ed., Rio de Janeiro - RJ: Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., p. (Bibliografia Principal) NOGUEIRA, J. B. (2001) Mecânica dos solos - Ensaios de laboratório. São Carlos - SP: Escola de Engenharia de São Carlos - USP. 248p. PAULO (funcionário do setor de topografia da Escola de Engenharia de São Carlos) Foto no Laboratório de Transportes da Escola de Engenharia de São Carlos - USP PINTO, C. S. Curso básico de mecânica dos solos. 3. ed., São Paulo - SP: Oficina de Textos, p. VIANA, H. M. F. Fotos no Laboratório de Transportes da Escola de Engenharia de São Carlos - USP

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