COMPORTAMENTO DA CURVA DE COMPACTAÇÃO DE CINCO SOLOS DA REGIÃO DE LAVRAS (MG) 1

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1 COMPORTAMENTO DA CURVA DE COMPACTAÇÃO DE CINCO SOLOS DA REGIÃO DE LAVRAS (MG) 1 MOACIR DE SOUZA DIAS JUNIOR 2 ELKA ÉLICE VASCO DE MIRANDA 3 RESUMO - Estudos do processo de compactação do solo têm demonstrado que diferentes classes de solos apresentam comportamentos distintos quando submetidos ao processo de compactação, devido a vários fatores, tais como: energia de compactação, textura, matéria orgânica, umidade e história de tensão. Portanto, o entendimento do comportamento dos solos, quando submetidos ao processo de compactação, é de grande importância, principalmente para aspectos relacionados ao manejo. Os objetivos deste estudo foram avaliar o comportamento de cinco classes de solos da região de Lavras (MG), quando compactados, usando o ensaio de Proctor normal e propor uma maneira alternativa para a obtenção da densidade do solo máxima. O estudo foi conduzido utilizando-se amostras de material de solo da camada 0-30 cm de profundidade das seguintes classes de solos: Latossolo Vermelho-Amarelo, Latossolo Vermelho-Escuro, Latossolo Roxo, Podzólico Vermelho-Amarelo e Cambissolo. Por meio do ensaio de Proctor normal, obteve-se as densidades dos solos máximas e as umidades ótimas de compactação. Determinaram-se ainda a textura, densidade do solo e matéria orgânica dos solos. Para uma mesma energia de compactação, as densidades dos solos aumentaram até atingir um ponto de máximo e, a seguir, diminuíram com o aumento da umidade. As curvas de compactação dos solos se assemelham quanto à forma independente da classe de solo e seguiram o modelo da forma Ds = a U 2 + b U + c. À medida que os teores de areia aumentaram, a densidade do solo máxima aumentou segundo o modelo = a (Areia) 2 + b (Areia) + c. Já a umidade ótima de compactação em função do teor de argila seguiu o modelo U ót = a (Argila) + b, enquanto a densidade do solo máxima em função da umidade ótima de compactação seguiu o seguinte modelo = a U ót + b e, em função do teor de matéria orgânica, seguiu o seguinte modelo = a (M.O) + b. Esses modelos permitem estimar a densidade do solo máxima e umidade ótima de compactação pela determinação da textura do solo e da matéria orgânica. Por serem essas análises de rotina em laboratórios de solo, esta forma de determinação da densidade do solo máxima, representa uma economia de tempo, além de uma simplificação da maneira de sua obtenção. Entretanto, o uso desses modelos para outras condições deve ser cuidadosamente avaliado. TERMOS DE INDEXAÇÃO: Curva de compactação, densidade do solo máxima, umidade ótima de compactação, ensaio de proctor normal. BEHAVIOR OF THE COMPACTION CURVE OF FIVE SOILS CLASSES OF THE LAVRAS REGIONA (MG) ABASTRACT - Studies of soil compaction process have showed that different soils types present different behaviors when submitted to the soils compaction process, due to different factors such as energy of compaction, texture, organic matter, moisture content and stress history. Therefore, the understanding of the behavior of the soils when submitted to the compaction process it is of great importance, mainly for aspects related to the soil management. Thus, the objectives of this study were to evaluate the behavior of five different soils classes of the Lavras region Minas Gerais State when compacted using Proctor normal test and suggest an alternative way to determine the maximum soil bulk density. In this study it was used soil samples of the bulk densities of the soils increased until reach a maximum point and to proceed they decreased with the 1. Pesquisa financiada pela FAPEMIG. 2. Professor Adjunto IV do Departamento de Ciência do Solo da UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS(UFLA), Lavras MG. Bolsista do CNPq. 3. Bolsista de Iniciação Científica da FAPEMIG.

2 338 layer 0-30 cm of depth of the following soils types: Red-yellow Latosol, Dark-Red Latosol, Dusky Red Latosol, Utissol, and Inceptsoil. Through the Proctor normal test it was obtained the maximum bulk densities and the optimum moisture content. It was still determined the texture, soil bulk density and organic matter of the soils. For a same compaction energy the bulk densities of the soil increased until reach a maximum pint and to proceed they decreased with the increase of the moisture content. The soil compaction curves resemble each other and their form are independent of the soil type and they followed the model Ds = a U 2 + b U + c. As the sand content increased the maximum bulk density of the soil increased according to the model = a (Sand) 2 + b (Sand) + c. The optimum moisture content for compaction is a function of the clay content and followed the model U ót = a (Clay) + b, while the maximum bulk density as a function of the optimum moisture content followed the model = a (U ót ) + b and as a function of the organic matter content followed the model = a (M.O) + b. These models allow us to estimate the maximum bulk density and the optimum moisture content for compaction through the determination the soil textural and organic matter. For being a routine analysis in soil laboratories, this form of determination of the maximum bulk density, represents an economy of time, besides a simplification in the way of its obtaining. However, the uses of these models for another conditions should be evaluated carefully. INDEX TERMS: Compaction curve, maximum bulk density, optimum moisture content, Proctor normal test. INTRODUÇÃO Estudos do processo de compactação do solo têm demostrado que diferentes classes de solos apresentam comportamentos distintos quando submetidos ao processo de compactação, devido a vários fatores, tais como: energia de compactação, textura, teor de matéria orgânica, umidade (Taylor e Henderson, 1959; Bodman e Constantin, 1965; Grohmann e Queiroz Neto; 1966, Silva, Libardi e Camargo, 1986; Ohu, Ayotamuno e Folorunso, 1979; Stone e Ekwue, 1993; Dias Junior, 1994; Ekwue e Stone, 1995; Dias Junior e Pierce, 1996 e Ekwue e Stone, 1997), história de tensão induzida pelos processos pedogenéticos de sua formação ou devido ao manejo que o solo foi submetido no passado (Dias Junior, 1994 e Dias Junior e Pierce, 1996). Entretanto, para uma mesma condição a propriedade que governa a quantidade de deformação que poderá ocorrer no solo é a sua umidade no momento das operações motomecanizadas (Dias Junior e Pierce, 1996). Portanto, o estudo da compactação em diferentes classes de solos submetidos a diferentes sistemas de manejo e com diferentes umidades é de grande importância (Silva, Libardi e Camargo, 1986). Os ensaios mais utilizados no estudo da compactação em laboratório têm sido o ensaio de compressão uniaxial e o ensaio de Proctor normal (Dias Junior, 1996). Neste estudo será dada ênfase ao ensaio de Proctor normal. Através deste ensaio, obtém-se a curva de compactação do solo. O tempo gasto na realização do ensaio de Proctor normal é grande, e devido a esse fato pesquisadores têm buscado maneiras alternativas e mais rápidas para a determinação da densidade do solo máxima e da umidade ótima de compactação (Figueiredo, 1998). Algumas características do solo têm sido usadas na tentativa de otimizar o tempo gasto nesse ensaio, são eles: o limite de plasticidade (Ojeniyi e Dexter, 1979 e Figueiredo, 1998) capacidade de campo (Campbell, Stafford e Blackwell, 1980; Howard, Singer e Frantz, 1981 e Figueiredo, 1998), e matéria orgânica (Thomas, Hasler e Blevins, 1996; Zhang, Hartge e Ringe, 1997 e Figueiredo, 1998). Na engenharia civil, a aplicabilidade dos resultados desse ensaio já estão bem definidos, entretanto, para fins agrícolas, ainda carece de mais pesquisas (Figueiredo, 1998). Apesar disso, Raghavan, Alvo e McKyes, (1990), por meio desse ensaio, observaram que a umidade ótima de compactação dá uma idéia de quando o trator começa a derrapar, o que contribuiu significativamente para o aumento da compactação do solo. Já Ohu, Ayotamuno e Folorunso (1987) observaram que os solos com classe textural areia franca são mais susceptíveis à compactação do que os solos franco arenosos, devido ao teor de areia do primeiro ser maior do que do solo franco arenoso. Além disso, Pacheco e Dias Junior (1990) e Figueiredo (1998) observaram que a umidade ótima de compactação diminuiu e a densidade do solo máxima correspondente aumentou, à medida que o teor de areia aumentou. Assim sendo, de acordo com Ohu, Ayotamuno e Folorunso, (1987) e Raghavan, Alvo e McKyes, (1990), espera-se que a susceptibilidade do solo à compactação aumente à medida que o teor de areia dos solos também aumente. Isso pode ser devido ao fato de que as partículas dos solos com predomi-

3 nância da fração areia se rearrajarem mais acirradamente do que nos solos com predominância da fração argila. Portanto, estudos adicionais que visem a obter um melhor entendimento da curva de compactação para diferentes classes de solos é necessária para entendermos melhor a susceptibilidade dos solos à compactação. Os objetivos deste estudo foram avaliar o comportamento de cinco classes de solos da região de Lavras (MG), compactados usando o ensaio de Proctor normal, e propor uma maneira alternativa para a obtenção da densidade do solo máxima com base nas características e propriedades físicas dos solos. MATERIAL E MÉTODOS 339 Utilizaram-se no presente estudo os seguintes solos localizados na região de Lavras (MG): Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico A moderado, textura argilosa, fase floresta tropical subcaducifólia, relevo suave-ondulado (), Latossolo Vermelho-Escuro distrófico A moderado, textura argilosa, fase cerrado relevo suave ondulado (); Latossolo Roxo distrófico A moderado, textura argilosa, fase floresta tropical subperenifólia, relevo suave ondulado (); Podzólico Vermelho- Amarelo distrófico A moderado, textura média/argilosa, fase floresta tropical subcaducifólia, relevo ondulado () e Cambissolo distrófico A moderado textura média fase floresta tropical subcaducifólia relevo forte ondulado (), os quais estão localizados na região de Lavras, MG. A escolha desses solos se deve ao fato de serem os mais representativos da região em estudo (Silva, Lima e Curi, 1993). Em cada solo foram coletadas amostras deformadas na profundidade de 0-30 cm. Para a caracterização física do solo, foram realizadas análises texturais (Day, 1986), densidade do solo (Blake e Hartge, 1986), ensaio de Proctor normal (Stancati, Nogueira e Villar, 1981) e da matéria orgânica (Raij e Quaggio, 1977). Para a obtenção da curva de compactação do solo, compactaram-se pelo menos quatro corpos de prova, com umidade crescentes. A compactação dos corpos de prova se deu em três camadas, as quais receberam 25 golpes do martelo usado no ensaio de Proctor normal (Stancati, Nogueira e Villar, 1981), determinando-se, a seguir, a densidade do solo. Para cada camada, uma amostra de solo foi coletada para a determinação da umidade. Com os valores da umidade e da densidade do solo, plotaram-se os pontos, obtendo-se através do software Sigma Plot versão 2.0 (Jandel Corporation, P.O Box 7005, San Rafael, CA, USA) as regressões que melhor se ajustaram aos pontos determinados em laboratório. No ponto de máximo da função obtiveram-se a densidade do solo máxima ( ) e a umidade ótima (U ót ) de compactação através das expressões = - b/2a e U ót = - (b 2 4ac)/4a (Iezzi et al., 1978), em que a, b e c são os coeficientes de ajustes das equações. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para a obtenção das curvas de compactação (Figura 1), os valores da densidade do solo (Ds) e da umidade (U), obtidos através do ensaio de Proctor normal, foram plotados nos eixos das ordenadas e das abcissas, respectivamente. A seguir, foi ajustado uma equação do segundo grau do tipo Ds = a U 2 + b U + c, em que a, b e c são parâmetros ajustados e com coeficiente de determinação variando entre 0,89 e 0,99 (Tabela 1). Analisando as curvas de compactação (Figura 1), observa-se que independente da classe de solo, a medida que à umidade gravimétrica aumenta a densidade do solo aumenta também, até atingir um valor máximo e, a seguir, diminui devido à baixa compressibilidade da água. No ponto de máximo, ou seja, no vértice da parábola, obtém-se o valor da densidade do solo máxima e da umidade ótima de compactação (Stancati,, Nogueira e Villar, 1981; Silva Libardi e Camargo, 1986; Pacheco e Dias Junior, 1990 e Ekwue e Stone, 1995) (Tabela 2). Para os solos estudados, os valores das densidades do solo máxima obedeceu a seguinte ordem decrescente de valores > > > > (Figura 1 e Tabela 2). Esse aumento da densidade do solo máxima segue a mesma tendência da fração areia (Tabela 2) e pode ser devido à maior capacidade de empacotamento das partículas do solo devido à forma irregular dos grãos de areia (Ohu, Ayotomuno e Folorunso., 1987 e Pacheco e Dias Junior, 1990). Os valores das umidades ótimas de compactação, entretanto, foram crescente na seguinte ordem de valores < < < < (Figura 1 e Tabela 2), seguindo a mesma tendência do teor de argila. O aumento da umidade ótima de compactação com o teor de argila está relacionado com sua capacidade de adsorção de água (Silva, Libardi e Camargo, 1986 e Ekwue e Stone, 1997). Assim, com base nos resultados do ensaio de Proctor normal, espera-se que o Cambissolo tenha problemas de compactação a umidades mais baixas do que os demais solos, enquanto o Latossolo Roxo atingirá a sua densidade do solo máxima a maiores umidades do que os outros solos (Figura 1 e Tabela 2). Esse fato pode constituir uma vantagem em relação ao tempo disponível para a realização das operações motomecanizadas necessárias para o preparo do solo em condições adversas de umidade.

4 340 1,7 1,6 Ds, Mg m -3 1,5 1,4 1,3 1,2 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 U, kg kg -1 FIGURA 1 - Curvas de compactação. = 2,15 x 10-6 A 2-7,82 x 10-4 A + R 2 = 0,97, Mg m A (Areia), g kg -1 FIGURA 2 - Curva da densidade do solo máxima em função do teor de areia.

5 341 TABELA 1 - Coeficientes de ajuste das equações do tipo Ds = a U 2 + b U + c, para o,,, e. Classe de Solo a b c R 2-23,84 14,22-0,69 0,99-35,94 18,89-1,04 0,98-22,21 9,06 0,65 0,94-14,76 6,55 0,80 0,95-15,49 4,93 1,25 0,89 TABELA 2 - Valores da densidade do solo máxima, umidade ótima de compactação, argila, silte, areia e matéria orgânica para o,,, e. Classe de solo Ds i (Mg m -3 ) (Mg m -3 ) U ót (kg kg -1 ) Argila (g kg -1 ) Silte (g kg -1 ) Areia (g kg -1 ) M.O (g kg -1 ) 1,31 1,43 0, ,86 1,12 1,44 0, ,10 1,15 1,57 0, ,95 1,29 1,53 0, ,86 1,29 1,64 0, ,43 Os valores das densidades do solo máxima em função do teor de areia, para as diferentes classes de solos, podem ser estimados através da equação = 2,15 x 10-6 (areia) 2 7,82 x 10-4 (areia) +, com uma boa precisão devido ao seu alto valor do coeficiente de determinação igual a 0,97 (Figura 2). Para a determinação da umidade ótima de compactação, em função do teor de argila se faz necessário, em primeiro lugar, a obtenção da umidade ótima de compactação através da equação U ót = 2,68 x 10-4 (argila) + 0,12, com R 2 = 0,86 (Figura 3) e, a seguir, determina-se a densidade do solo máxima através da equação = - U ót + 1,89, com R 2 = 0,95 (Figura 4). Equação semelhante a esta última foi encontrada por Ekwue e Stone (1997), para um conjunto de 48 valores de e U ót, o que contribui para a validação do modelo encontrado neste trabalho. Para a determinação das densidades do solo máxima, em função do teor de matéria orgânica para as diferentes classes de solos, a equação = - 0,11 (M.O) + 1,69 com R 2 = 0,84 pode ser usada (Figura 5). Esse resultado corrobora com os resultados obtidos por Thomas, Hasler e Blevins (1996), os quais obtiveram equação semelhante. Para verificar a capacidade de predição da, pelos modelos desenvolvidos neste trabalho, foram plotados os valores da, estimados através dos modelos versus os valores observados em laboratório (Figuras 6, 7 e 8). Como critérios para avaliar a capacidade de predição dos modelos, foram adotados a linha 1:1, que indica o quanto os valores estimados estão próximos dos valores observados em laboratório e o coeficiente de determinação da regressão ajustada entre os valores estimados e os observados.

6 342 0,32 0,30 U ót = 2,68 x 10-4 Argila + 0,12 R 2 = 0,86 0,28 0,26 U ót, kg kg -1 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16 0, Argila, g kg -1 FIGURA 3 - Umidade ótima de compactação em função do teor de argila. = - U ót + 1,89 R 2 = 0,95 Ds máx, Mg m -3 1,35 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 U ót, kg kg -1 FIGURA 4 - Densidade do solo máxima em função da umidade ótima de compactação.

7 343 = - 0,11 (M.O) + 1,69 R 2 = 0,84, Mg m -3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 M.O, g kg -1 FIGURA 5 - Densidade do solo máxima em função do teor de matéria orgânica. est = 0,90 obs + 0,14 R 2 = 0,97 1:1 estimado (areia), Mg m -3 Ds max observado, Mg m -3 FIGURA 6 - Densidade do solo máxima estimada usando o teor de areia em função da densidade do solo máxima observada.

8 344 estimado (argila), Mg m -3 est = 0,84 obs + 0,25 R 2 = 0,91 1:1 Ds max observado, Mg m -3 FIGURA 7 - Densidade do solo máxima estimada usando a umidade ótima de compactação em função da densidade do solo máxima observada. est = 0,82 obs + 0,29 R 2 = 0,84 1:1 estimado (M.O), Mg m -3 Ds max observado, Mg m -3 FIGURA 8 - Densidade do solo máxima estimada usando o teor de matéria orgânica em função da densidade do solo máxima observada.

9 345 Analisando as figuras 6, 7 e 8, observa-se que a densidade do solo máxima pode ser estimada tanto em função do teor de areia como em função da umidade ótima de compactação ou em função do teor de matéria orgânica, devido à proximidade da reta de regressão com a linha 1:1 e devido aos valores dos coeficientes de determinação iguais a 0,97; 0,91 e 0,84, respectivamente. Entretanto, devido à maior proximidade da reta de regressão com a linha 1:1 e ao maior coeficiente de determinação, aconselha-se que a determinação da densidade do solo máxima seja feita através da equação da, em função do teor de areia. Assim, esses modelos permitem estimar a densidade do solo máxima e umidade ótima de compactação através da determinação da análise textural. Por serem essas análises de rotina em laboratórios de solo, essa forma de determinação da densidade do solo máxima representa uma economia de tempo, além de uma simplificação da maneira de sua obtenção. Entretanto, o uso desses modelos para outras condições devem ser cuidadosamente avaliado. CONCLUSÕES a) Os valores das densidades do solo máxima obedeceu à seguinte ordem decrescente de valores, >>>>, enquanto as umidades ótimas de compactação seguiram a seguinte ordem crescente de valores <<<<. b) Os valores da densidade do solo máxima seguiu os seguintes modelos: = 2,15 x 10-6 (Areia) 2 7,82 x 10-4 (Areia) +, = - U ót + 1,89 e = - 0,11 (M.O) + 1,69, enquanto que a umidade ótima seguiu o modelo U ót = 2,68 x 10-4 (Argila) + 0,12. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BLAKE; G.R. ; HARTGE, K.H. Bulk density. In: KLUTE, A., (ed.). Methods of soil analysis. 2. ed. Madison: ASA/SSSA, pt. 1, p (Agronomy Monography, 9). BODMAN, G.B; CONSTANTIN, G.K. Influence of particle sizes distribution in soil compaction. Hilgardia, Berkeley, v. 36, p , CAMPBELL, D.J.; STAFFORD, J.V. ; BLACKWELL, P.S. The plastic limit, as determined by the dropcone test, in relation to the mechanical behavior of soil. Journal of Soil Science, Oxford, v. 31, p , DAY, P.R. Particle fraction and particle size analysis. In: KLUTE, A. (ed.). Methods of soil analysis. 2. ed. Madison: American Society of Agronomy, pt. 1, p (Agronomy Monography, 9). DIAS JUNIOR, M. S. Compression of three soils under long-term tillage and wheel traffic. East Lansing: Michigan State University, p. (Dissertação de Doutorado) DIAS JUNIOR, M. S. Notas de aula de física do solo. Lavras: Universidade Federal de Lavras, p. (Curso de Pós-Graduação em Solos e Nutrição de Plantas). DIAS JUNIOR, M. S. ; PIERCE, F.J. Revisão de literatura: O processo de compactação do solo e sua modelagem. Revista Brasileira de Ciência do Solo, Campinas, v. 20, p , EKWUE, E.J. ; STONE, R.J. Density-moisture relations of some Trinidadian soils incorporated with sewage sludge. Transaction of the ASAE, St. Joseph, v. 40, p , EKWUE, E.J. ; STONE, R.J. Organic matter effects on strength properties of compacted agricultural soils. Transaction of the ASAE, St. Joseph, v. 38, p , FIGUEIREDO, L.H.A. Propriedades físicas e mecânicas de um Latossolo Roxo submetido a diferentes sistemas de manejo. Lavras: Universidade Federal de Lavras, p. (Dissertação Mestrado em Solos e Nutrição de Plantas). GROHMANN, F. ; QUEIROZ NETO, J.P. Efeito da compactação artificial de dois solos limo-argiloso sobre a penetração das raizes de arroz. Bragantia, Campinas, v. 25, p , HOWARD, R.F.; SINGER, M.J. ; FRANTZ, G.A. Effects of soil properties, water content, and compactive effort on the compaction of selected California florest and range soils. Soil Science Society of America Journal, Atlanta, v. 45, p , IEZZI, G.; DOLCE, O.; TEIXEIRA, J.C.; MACHADO, N.J.; GOULART, M.C.; CASTRO, L.R. da S. ; MACHADO, A. dos S. Matemática. São Paulo: Atual, p.

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