Comunicado111 Técnico

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1 Comunicado111 Técnico ISSN Dezembro, 2010 Aracaju, SE Edson Patto Pacheco Prensa manual adaptada para ensaio de compressibilidade. Uso de prensa manual como alternativa para determinação da compressibilidade de solos agrícolas Edson Patto Pacheco 1 O termo compactação refere-se à compressão do solo não saturado que resulta no aumento da sua densidade, em consequência da redução do volume devido à expulsão de ar dos seus poros (GUPTA et al. 1989). A facilidade com que o solo não saturado decresce de volume, quando submetido a pressões externas, é chamada de compressibilidade (GUPTA; ALLMARAS 1987), que depende de fatores internos e externos (LEBERT; HORN, 1991). Os fatores externos são caracterizados pelo tipo, intensidade e frequência da carga aplicada. Os internos correspondem ao histórico de tensão, umidade do solo, textura do solo, estrutura do solo, densidade inicial do solo e teor de carbono do solo. Dentro da mesma condição, é a umidade que governa a quantidade de deformação que poderá ocorrer quando uma pressão é aplicada ao solo (ETANA et al., 1997, BRAIDA et al., 2006). O comportamento compressivo de um solo, representado principalmente pela pressão de pré-compactação (σ p ), expressa o histórico de pressão que o solo já sofreu no passado, e também pode representar a capacidade de suporte de carga, ou seja, a pressão máxima que o solo suporta antes que ocorra compactação adicional (DIAS JUNIOR, 2000). Portanto, esse atributo pode ser utilizado para diagnosticar práticas culturais mecanizadas que historicamente vêm causando degradação física dos solos, bem como, servir aos processos de agricultura de precisão que visem o planejamento das operações motomecanizadas, a fim de reduzir o impacto das mesmas sobre a qualidade dos solos agrícolas. O objetivo deste trabalho foi descrever a utilização de uma prensa manual, como alternativa para determinação da pressão de pré-compactação, índice de compressibilidade e índice de recompressão de solos agrícolas. Ensaios de compressibilidade e précompactação (σ p ) A compressibilidade do solo pode ser determinada por meio do ensaio de compressão uniaxial, também conhecido por ensaio de adensamento unidimensional (ABNT, 1990). O ensaio de compressão uniaxial basicamente consiste em aplicar sucessiva e continuamente pressões crescentes e preestabelecidas (12,5; 25; 50; 100; 200; 400; 800 e 1600 kpa) a uma amostra de solo na condição parcialmente saturada (DIAS JUNIOR, 2000; ABNT, 1990). Este ensaio permite obter a curva de compressão do solo, que é representada por um gráfico no qual são plotados, no eixo das abscissas, os 1 Engenheiro-agrônomo, D.Sc. em Agronomia, pesquisador da Embrapa Tabuleiros Costeiros, Aracaju, SE, patto@cpatc.embrapa.br.

2 2 Uso de prensa manual como alternativa para determinação da compressibilidade de solos agrícolas valores das pressões aplicadas (σ) em escala logarítmica e, no eixo das ordenadas, os valores do índice de vazios (σ) em escala natural (Figura 1). A partir desta curva é possível determinar a pressão de pré-compactação (σ p ), o índice de compressão (IC) e o índice de recompressão (CR). O IC é a relação entre a variação do índice de vazios e a variação do log da σ, em qualquer parte da linha de compressão virgem, representando sua inclinação: IC = -(E 2 - E 1 )/log(σ 2 /σ 1 ), em que σ 2 e σ 1 correspondem a um intervalo de pressões aplicada em qualquer parte do seguimento da reta virgem. O CR é a razão entre a variação do índice de vazios da linha de compressão secundária e o log da σ p, representando a inclinação da linha de compressão secundária: CR = -(E σp - E i )/ log(σ p ) (REINERT et al., 2003). O método de Pacheco e Silva consiste nos seguintes passos: traçar uma reta horizontal, passando pela ordenada correspondente ao índice de vazio inicial (E i ) (Figura 2). Pelo ponto de interseção com o prolongamento da reta virgem, traçar uma reta vertical até a curva de compressão. Por esse ponto, traçar uma reta horizontal até o segundo ponto de interseção com o prolongamento da reta virgem. A abscissa desse ponto define a pressão de pré-adensamento ou pressão de pré-compactação (Figura 2). Figura 1. Curva de compressão do solo (IMHOFF et al., 2001). A pressão de pré-compactação divide a curva de compressão do solo em duas regiões: região de deformações pequenas, elásticas e recuperáveis (curva de compressão secundária) e região de deformações plásticas e não recuperáveis (reta de compressão virgem), conforme ilustração na Figura 1. Em solos agrícolas, devem ser evitadas pressões maiores do que a maior pressão aplicada anteriormente, para que não ocorram compactações adicionais (GUPTA et al., 1989; LEBERT; HORN, 1991). A σp pode ser obtida a partir da curva de compressão pelo método de Casagrande ou pelo método de Pacheco e Silva (ABNT, 1990). O método de Casagrande consiste em determinar o ponto de mínimo raio de curvatura (obtido pelo método de quadrados mínimos), e por ele traçar uma paralela ao eixo das abscissas (nº 2 da Figura 1) e uma tangente à curva de compressão (nº 1 da Figura 1). Posteriormente, deve-se traçar a bissetriz (nº 3 da Figura 1) do ângulo formado por essas duas retas. A abscissa determinada pela reta vertical (nº 5 da Figura 1) que vai do ponto de interseção da bissetriz com o prolongamento da linha de compressão virgem (nº 4 da Figura 1), corresponde a pressão de pré-compactação (σ= σ p ) (Figura 1). Figura 2. Determinação da σ p pelo método de Pacheco e Silva (ABNT, 1990). Reinert et al. (2003) desenvolveram o software COMPRESS e propuseram modelo para descrever a compressibilidade dos solos e seus parâmetros, com o objetivo de usar dados laboratoriais de ensaios de compressibilidade para calcular as relações básicas no início e final dos testes; ajustar a equação ε = ε i / (1+ασ n ) m aos dados para plotar a curva de compressão na tela do computador; calcular a pressão pré-compactação, o índice de compressão e recompressão pelo método de Casagrande ou pelo método de Pacheco e Silva (ABNT, 1990), bem como, criar banco de dados com todos os dados e valores calculados. Segundo os autores, o software de domínio público foi criado com objetivo didático, mas pode ser usado em rotinas de laboratórios. Prensa manual equipamento alternativo De acordo com a norma MB-3336 da ABNT (1990), os ensaios de consolidação devem ser realizados em amostras saturadas, com tempo de longa duração (até 24 h por carga aplicada). Para isso são utilizados consolidômetros com contra pesos ou pneumáticos, que representam grandes custos para aquisição e instalação

3 Uso de prensa manual como alternativa para determinação da compressibilidade de solos agrícolas 3 em laboratórios de mecânica do solo. No entanto, para se determinar a compressibilidade em solos agrícolas os ensaios podem ser adaptados, aplicando-se pressões com tempo curto de duração para os carregamentos em amostras de solo não saturadas, considerando que, as pressões exercidas pelas máquinas agrícolas são aplicadas ao solo em horizontes superficiais ou subsuperficiais, normalmente não saturado, e de forma instantânea e intermitente (PACHECO, 2010). Por se tratar de um equipamento com preço bem inferior aos dos equipamentos citados anteriormente, a prensa de acionamento manual pode ser adaptada para atender às necessidades de ensaios de compressibilidade com razão de carga igual a dois (12,5; 25; 50; 100; 200; 400; 800 e 1600 kpa) e os estágios de carregamentos de 30 s. Dessa forma, cada ensaio necessita no máximo de 10 minutos para ser realizado, viabilizando a execução de experimentos que apresentem necessidade de grandes quantidades de determinações, devido às várias combinações de tratamentos e repetições. Descrição e operação da prensa manual O sistema de transmissão é acionado por manivela que pode ser posicionada de duas formas: uma para aproximação rápida, utilizada para posicionamento e retirada da amostra no início e final do ensaio, respectivamente, e outra de aproximação lenta, necessária para aplicação das forças crescentes sobre a amostra durante o ensaio (Figura3). Pistão e micrômetro medidor de deformação Quando a amostra é elevada pelo prato, a mesma é prensada contra um pistão metálico com diâmetro (51,5 mm) ligeiramente inferior ao diâmetro interno (52,0 mm) do anel volumétrico (Figura 4). A deformação vertical sofrida pela amostra, relativa a cada pressão aplicada, é medida por meio de um micrômetro com precisão de 0,01mm (Figura 4). Quando realizados ensaios em amostras contendo umidade próxima da saturação, placas porosas devem ser posicionadas acima e abaixo da amostra (Figura 4), para facilitar a drenagem do excesso de água durante o procedimento. Como os ensaios são realizados com tempo curto de duração, normalmente, não se observa drenagem para amostras com umidades inferiores daquelas estabilizadas a -6 kpa em mesa de tensão. O princípio de funcionamento do equipamento é o deslocamento vertical de uma amostra de solo contra um pistão que comprime a mesma à medida que pressões crescentes são aplicadas. Para isso, o equipamento é composto pelos seguintes órgãos: Mecanismo de aproximação da amostra (deslocamento vertical) O equipamento possui sistema de transmissão por engrenagens banhadas a óleo que movimenta um cilindro responsável pelo deslocamento vertical de um prato metálico, sobre o qual fica posicionada uma amostra de solo indeformada contida em um anel volumétrico de PVC (Figura 3). Figura 4. Pistão e micrômetro medidor da deformação. Figura 3. Mecanismo para deslocamento vertical da amostra. Controle das pressões aplicadas durante o ensaio As cargas crescentes aplicadas são controladas por meio de um anel dinamométrico (Figura 5) com carga nominal de 500 kgf. Suas deformações são medidas por um micrômetro (Figura 5) e convertidas em força (kgf), conforme calibração fornecida pelo fabricante do equipamento. Foram pré estabelecidas leituras para obtenção das pressões de 12,5; 25; 50; 100; 200; 400; 800 e 1600 kpa, conforme apresentado na Tabela 1, considerando área do pistão igual a 20,83 cm 2, constante do anel dinamométrico igual a 205,68 kgf mm -1 e precisão do micrômetro do anel dinamométrico igual a 0,01 mm.

4 4 Uso de prensa manual como alternativa para determinação da compressibilidade de solos agrícolas Tabela 1. Leituras do micrômetro do anel dinamométrico correspondentes para pressões crescentes do ensaio de compressibilidade utilizando prensa manual contendo pistão com área de 20,83 cm 2, anel dinamométrico com constante de 205,68 kgf mm -1 e micrômetro do anel dinamométrico com precisão de 0,01 mm. Figura 5. Sistema de controle das cargas crescentes. Figura 6. Pressão de pré-compactação (σ p ) em função da umidade, na profundidade de 0 a 0,20 m de um Argissolo Amarelo sob dois tipos de uso. Exemplo de resultado obtido com a prensa manual Após a realização de ensaios de compressibilidade, utilizando amostras de solo que apresentavam diferentes umidades, e calculada a pressão de pré-compactação (σ p ) por meio do o programa COMPRESS (REINERT et al., 2003), foram obtidos gráficos de σ p em função da umidade gravimétrica (Ug) do solo, conforme modelo exponencial σ p = 10 (a+b.ug) proposto por Dias Junior (2000), sendo que, a e b são os coeficientes de ajuste obtidos por análise regressão. Nas Figuras 6 e 7 estão representadas curvas de pressão de pré-compactação em função da umidade gravimétrica, para três profundidades de um Argissolo Amarelo sob mata nativa e cultivado com cana-de-açúcar por 30 anos. Figura 7. Pressão de pré-compactação (σ p ) em função da umidade, na profundidade de 0,20 a 0,40 m de um Argissolo Amarelo sob dois tipos de uso.

5 Uso de prensa manual como alternativa para determinação da compressibilidade de solos agrícolas 5 Por ser dependente da quantidade de água, a σ p varia em função da umidade do solo (Figuras 6 e 7). Quanto mais baixo os teores de água, mais resistente fica a matriz do solo, conferindo maior resistência às deformações provocadas por pressões externas. A pressão de précompactação torna-se maior à medida que o solo fica mais seco. Isso acontece porque a água atua de duas formas sobre a resistência do solo ao cisalhamento: a) diminui a coesão entre as partículas sólidas e b) forma filmes sobre as partículas sólidas, reduzindo o atrito entre as mesmas. O resultado é um decréscimo exponencial da pressão de pré-compactação com o aumento da umidade (HILLEL,1980). A pressão de pré-compactação corresponde à capacidade de suporte de carga de solos parcialmente saturados, o que torna importante o entendimento do comportamento da curva de compressão em diferentes sistemas de manejo, pois ela permite avaliar a susceptibilidade do solo à deformação e, consequentemente, à compactação (KONDO; DIAS JUNIOR, 1999). Referências ABNT, Solo: ensaio de adensamento unidimensional MB Rio de Janeiro, p. TORMENA. C. A. Quantificação de pressões críticas para o crescimento das plantas. Revista Brasileira de Ciência do Solo, Campinas, v. 25, p KONDO, M. K. DIAS JUNIOR, M. S. Efeito do manejo e da umidade no comportamento compressivo de três Latossolos. Revista Brasileira de Ciência do Solo, Campinas, v. 23, p , LEBERT, M.; HORN, R. A. Method to predict the mechanical strenght of agricultural soils. Soil and Tillage Research, Amsterdam, v. 19, p , PACHECO, E. P. Estudo da compressibilidade e qualidade de um argissolo amarelo cultivado com cana-de-açúcar nos tabuleiros Costeiros de Alagoas. 106 f Tese (Doutorado) - Universidade Federal Rural de Pernambuco, Recife, REINERT, D. J.; ROBAINA, A.; REICHERT, J. M. Compress software e proposta de modelo para descrever a compressibilidade dos solos e seus parâmetros. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA DO SOLO. 29, 2003, Ribeirão Preto. Anais... Ribeirão Preto: Sociedade Brasileira de Ciência do Solo, CD-ROM. BRAIDA, J. A.; REICHERT, J. M; VEIGA, M. da et al. Resíduos vegetais na superfície e carbono orgânico do solo e suas relações com a densidade máxima obtida no ensaio de proctor. Revista Brasileira de Ciência do Solo, Viçosa, v. 30, p , DIAS JUNIOR, M. S. Compactação do solo. Tópicos em ciência do solo, Viçosa, v. I, p , ETANA, A.; COMIA, R. A.; HAKANSSON, I. Effects of uniaxial stress on the physical properties of four Swedish soils. Soil and Tillage Research, Amsterdam, v. 44, p , GUPTA, S. C; ALLMARAS, R. R. Models to access the susceptibility soil to excessive compaction, Advanced Soil Science, Massachusetts, v. 6, p , GUPTA, S. C.; SHARMA, P. P.; DEFRANCHI, S. A. Compaction effects on soil structure. Advanced Agronomy, Newark, v. 41, p , HILLEL, D. Fundamentals of soil physics. New York: Academic Press, 1980, 413 p. IMHOFF, S.; SILVA, A. P.; DIAS JUNIOR, M. S.;

6 6 Uso de prensa manual como alternativa para determinação da compressibilidade de solos agrícolas Comunicado Técnico, 111 Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento Exemplares desta edição podem ser adquiridos na: Embrapa Tabuleiros Costeiros Endereço: Avenida Beira Mar, 3250, CP 44, CEP , Aracaju - SE. Fone: (79) Fax: (79) sac@cpatc.embrapa.br Disponível em 1 a edição (2010) Comitê de publicações Expediente Presidente: Ronaldo Souza Resende. Secretária-executiva: Raquel Fernandes de Araújo Rodrigues Membros: Edson Patto Pacheco, Élio César Guzzo, Hymerson Costa Azevedo, Ivênio Rubens de Oliveira, Joézio Luis dos Anjos, Josué Francisco da Silva Junior, Luciana Marques de Carvalho, Semíramis Rabelo Ramalho Ramos e Viviane Talamini. Supervisora editorial: Raquel Fernandes de Araújo Rodrigues Tratamento das ilustrações: Bryene Santana de Souza Lima Editoração eletrônica: Bryene Santana de Souza Lima