TESTES DE IDENTIFICAÇÃO ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO

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1 TESTES DE IDENTIFICAÇÃO ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO SUMÁRIO Capítulo Retirada de amostras 2 9 Preparação das amostras Identificação tátil-visual Massa específica e teor de umidade Massa específica dos sólidos Granulometria Limites de consistência Compactação Índice de vazios máximo e mínimo 74 79

2 2 RETIRADA DE AMOSTRAS A representatividade do solo investigado através da amostra e o processo de realização de cada ensaio são condições fundamentais para a obtenção dos parâmetros necessários à sua caracterização. Tanto para a retirada de uma amostra quanto para a realização dos ensaios existe normas, que os regem e devem ser seguidas, para garantir a validade dos resultados. Dois tipos de amostras, deformadas e indeformadas, são usadas na realização dos ensaios de mecânica dos solos. A amostra deformada é uma porção de solo desagregado e, deve ser representativa do solo que está sendo investigado, quanto à composição granulométrica e constituição mineral; ela será usada na identificação visual e tátil, nos ensaios de granulometria, limites de consistência, massa específica dos sólidos, compactação e na compactação de corpos de prova para ensaios de permeabilidade, compressibilidade e resistência ao cisalhamento. Essas amostras, até um metro abaixo da superfície do terreno, poderão ser obtidas com o uso de ferramentas simples, como pás, enxadas, picaretas e outras mais apropriadas a cada caso, enquanto que para uma profundidade maior são usadas ferramentas específicas, como os trados ou os amostradores de parede grossa. A amostra indeformada, geralmente de forma cúbica ou cilíndrica, deve ser representativa da estrutura e do teor de umidade do solo, na data de sua retirada, além da composição granulométrica e mineral; ela é usada para a determinação das características físicas do solo na condição atual, i.é, na data em que foi retirada, como os índices físicos, o coeficiente de permeabilidade, os parâmetros de compressibilidade e os de resistência ao cisalhamento. Uma amostra indeformada pode ser retirada de diversas maneiras dependendo da profundidade da amostragem, da densidade do solo e da posição do lençol freático; enquanto que, para camadas de solos pouco densos e que se encontram abaixo do nível d'água é usado um amostrador de parede fina, para camadas de solos acima do nível d'água e mais densos é aberto um poço e retirada uma amostra de forma cúbica. O procedimento seguido durante a retirada, a dimensão necessária e os cuidados devido à amostra, desde a retirada até a utilização no laboratório, serão descritos nos itens seguintes, para cada tipo de amostra AMOSTRA DEFORMADA No local escolhido para a retirada da amostra é feita, inicialmente, uma limpeza na área, retirando a vegetação superficial, raízes e qualquer outra matéria estranha ao solo, para só depois iniciar o processo de coleta. Para amostragem até um metro abaixo da superfície do terreno é feita uma escavação, com uma ferramenta apropriada, até a cota de interesse e, em seguida, a amostra pode ser coletada. Entre um e seis metros de profundidade e, desde que o furo não precise ser revestido pode ser usado o trado cavadeira, enquanto que para profundidade maior que seis metros ou quando o furo precisar de revestimento será usado o trado helicoidal, ambos mostrados na Figura Quando o trabalho com o trado helicoidal se tornar penoso, para aqueles que estão realizando a perfuração ou pouco eficiente, para amostragem abaixo do nível d'água, é usado o amostrador de parede grossa, mostrado na Figura 9.12, cravado no solo através da energia fornecida pela queda livre de um martelo. A quantidade de amostra retirada pelo trado helicoidal e pelo amostrador de parede grossa só permite a realização dos ensaios de caracterização dos solos. Quando há a necessidade de um volume maior de amostra pode ser escavado um poço com um diâmetro que permita o trabalho do operador, como mostrado na Figura A amostra é colocada em um saco de lona ou de plástico resistente e, identificada através dos testes visual e tátil apropriados a cada tipo de solo, com uma etiqueta amarrada à boca do saco e contendo informações sobre o local, número da amostra, cota e data da amostragem e, em seguida, enviada para o laboratório. Na folha do serviço de amostragem deve ser deixado um espaço para o desenho da planta da área investigada indicando se nela os dados necessários à recuperação do local onde a amostra foi retirada. Após a identificação do solo, o resultado será informado na folha de locação como mostrado na Figura 10.1.

3 3 Figura 10.1 Locação do poço para retirada de amostra Dimensionamento Para a estimativa da massa da amostra deformada é preciso definir inicialmente, que ensaios serão realizados e o número de cada um deles, bem como, o processo de preparação das amostras reduzidas que está descrito no Capítulo 11. Essa estimativa pode ser feita em termos de massa seca da amostra reduzida e para transformá-la na massa da amostra deformada será preciso estimar a umidade do solo no campo. Essa estimativa deve levar em consideração a eventual necessidade de refazer um ou mais ensaios e, também, outros fatores como distância do laboratório, transporte, possibilidade ou não de se realizar uma nova amostragem e os custos do serviço. Na Tabela 10.1 estão sugeridas as massas secas usadas em cada ensaio ou grupo de ensaios, para solos com sólidos menores que 4,8 mm. Tabela 10.1 Estimativa da massa de sólidos da amostra representativa, g Ensaios M s Material granular : Areia Identificação visual e tátil, granulometria, massa específica dos sólidos, índice de vazios máximo e mínimo Solo : Teor de umidade de campo e higroscópico, identificação tátilvisual, massa específica dos sólidos, análise granulométrica e limites de consistência Compactação, cilindro pequeno, EC = 580 kj/m 3 sem reuso, 6 pontos com reuso, 2 ensaios Cuidados Toda e qualquer matéria, orgânica ou não, estranha ao solo deverá ser excluida do local da amostragem; se esta operação for difícil de ser realizada no campo, informar sobre a existência dessa matéria, para que no laboratório sejam tomadas as providências necessárias. Com a correta identificação do local e da cota de retirada da amostra e tudo mais que possa afetar a boa qualidade do produto obtido. Os dados fornecidos nas etiquetas e na folha de locação devem estar compatíveis, para que não haja dúvida sobre a amostra. Se a amostra vai ser transportada por uma longa distância ela deve ser colocada em uma caixa de madeira, com uma proteção interna de serragem ou outro material.

4 Às vezes, é aconselhável a colocação de uma etiqueta junto com a amostra, com os mesmos dados da etiqueta externa; para evitar a deterioração do papel pela umidade do solo ela deve ser colocada dentro de um saco plástico AMOSTRA INDEFORMADA A retirada de uma amostra indeformada pode ser feita por dois diferentes processos: o primeiro, através de uma escavação manual, utilizando uma fôrma metálica, mostrada na Figura 9.13 e, o segundo com a cravação de um amostrador de parede fina, mostrado na Figura 9.14; apenas o primeiro processo será descrito neste texto. Na Figura 10.2 estão indicadas algumas posições de retirada de uma amostra com escavação manual; como a forma da amostra é cúbica ou cilíndrica ela é conhecida como amostra em bloco. As posições 1, 3 e 4, respectivamente, no talude de um corte, na superfície do terreno e no fundo de um poço são preferenciais, enquanto as posições 2 e 5 são alternativas às posições 1 e 4, quando, por um motivo qualquer não for possível fazer a amostragem nesses locais. O processo de retirada de uma amostra em bloco em qualquer posição é a mesma, a menos de peculiaridades de cada local. O poço é aberto por um poceiro, até próximo à cota do topo da amostra a ser retirada, com um diâmetro que permite ao técnico encarregado de continuar o serviço, fazê-lo de forma apropriada, como mostrado na Figura 10.3a. Caso não seja possível retirar a amostra na posição 4, da Figura 10.2, por ter o poço um diâmetro pequeno, ela pode ser retirada na parede do poço, como mostrado na posição 5. 4 Figura 10.2 Posições de retirada do bloco Com todo cuidado, necessário a este tipo de serviço, o técnico começa a preparar o fundo do poço retirando material, porém deixando ainda, um excesso de solo acima da cota prevista para o topo do bloco; em seguida, delimitar a área de trabalho marcando-a com a parte biselada da fôrma metálica, Figura 10.3b. Depois da fôrma apoiada sobre o solo, com a ponta biselada voltada para baixo, a escavação é iniciada em torno da fôrma e, ao mesmo tempo ela é levemente pressionada para baixo provocando sua descida e, envolvendo a amostra, Figura 10.3c. A escavação do solo e a descida da fôrma continuam até que se tenha um excesso de solo acima do topo que não deverá ser retirado neste momento, Figura 10.3d. Para a separação do bloco o técnico começa a retirar o solo embaixo da base da amostra e,com uma das mãos vai segurando o bloco para evitar uma separação repentina e, com isso, provocar uma quebra da estrutura da amostra; também,agora, um excesso de solo na base deve ser mantido, Figura 10.3e. Entre o bloco e a fôrma haverá sempre uma folga cuja espessura depende do tipo de solo amostrado, com um solo argiloso permitindo uma folga menor do que um arenoso; essa folga é preenchida com o mesmo solo do bloco no local da amostragem para que não fique solto dentro da fôrma. Depois de separado, Figura 10.3.f, o bloco é levado é levado para a superfície do terreno onde, à sombra, é iniciado o processo de preparação do bloco para envio ao laboratório. O excesso de solo no topo e na base é retirado e em seguida, aplicado uma primeira camada de parafina, não muito quente e com espessura mínima de dez milímetros; uma etiqueta é colocada no

5 topo do bloco indicando os dados necessários à identificação da amostra no campo. As laterais da caixa só então são retiradas e aplicada uma primeira camada de parafina, não muito quente, sobre as faces do bloco, reforçando os cantos e arestas para garantir uma boa ligação com a camada aplicada no topo e na base. Com essa camada de parafina está garantida a manutenção da umidade da amostra, mas não a preservação da estrutura do solo. 5 Figura 10.3 Seqüência de atividades para a retirada do bloco Para a preservação da estrutura, o bloco precisa ser envolvido com um tecido poroso e, em seguida, aplicada uma segunda camada de parafina, agora bem quente. Uma segunda etiqueta é colocada no topo do bloco, com as mesmas informações da anterior, para facilitar a identificação da posição do bloco no maciço e a retirada de corpos de prova no laboratório. Além da manutenção da umidade e da estrutura do solo, uma amostra indeformada, também informa a posição em que ela estava no maciço e, para isso, é essencial a colocação da etiqueta sobre o topo da amostra; com essa informação os corpos de prova poderão ser retirados na posição em que se encontram no maciço. Na Figura 10.4, à esquerda, está mostrada a retirada do bloco e, à direita, o bloco já preparado para ser levado ao laboratório onde permanecerá na câmara úmida, enquanto for necessário. Finalmente, desenhar a planta de localização do poço tendo como referência algum ponto imutável durante a duração da obra indicando todos os dados necessários, bem como, o nome do solo a partir do resultado dos testes de identificação tátil- visual, como mostrado na Figura 10.1.

6 6 Figura 10.4 Amostra indeformada em bloco: retirada e conservação Finalmente, desenhar a planta de localização do poço tendo como referência algum ponto imutável durante a duração da obra indicando todos os dados necessários, bem como, o nome do solo a partir do resultado dos testes de identificação tátil- visual, como mostrado na Figura Dimensionamento Para se chegar à quantidade de blocos que precisa ser retirado, de um mesmo local, é preciso levar em consideração alguns fatores: o número e as dimensões dos corpos de prova e os ensaios que serão realizados, a condição atual e futura do local de amostragem e, também, a necessidade de repetição ou da realização de algum ensaio não previsto inicialmente. Outro fator a ser considerado é o custo da amostragem; um número de blocos menor que o necessário obriga a uma nova amostragem, se a condição do local permitir, enquanto um excesso de blocos leva a um custo maior, no inicio da obra e, desnecessário. Portanto, é preciso procurar um coeficiente de segurança que garanta a realização de todos os ensaios com o menor custo possível. Deste tipo de amostra, geralmente, um bloco cúbico com aresta variando entre 20 e 30 cm, são retirados corpos de prova cilíndricos para a realização de ensaios de resistência ao cisalhamento, de permeabilidade e de consolidação e, também, para a determinação dos índices físicos do solo no momento da amostragem; as dimensões normais dos corpos de prova de cada um dos ensaios estão mostradas no item O bloco não deve ter uma aresta menor que 20 cm, pois isso, diminui o número de corpos de prova com as dimensões necessárias, nem uma aresta maior do que 30 cm, pois isso, aumentará o seu peso, dificultando o manuseio em campo e no laboratório, com um risco maior de alteração da estrutura do solo. Durante a moldagem dos corpos de prova, até atingir as dimensões desejadas, uma amostra de solo solto é liberada sendo suficiente para realizar os ensaios de massa específica dos sólidos, granulometria e limites de consistência do solo e determinar o teor de umidade da amostra Cuidados Os cuidados a serem tomados com as amostras indeformadas vão desde a abertura do poço até a retirada dos corpos de prova, em laboratório, com o propósito de conservar a umidade e a estrutura atual do solo. A seguir serão descritos os cuidados que se deve ter durante a fase de abertura do poço e retirada da amostra, preservação da umidade e da estrutura, transporte do bloco e armazenamento no laboratório e retirada dos corpos de prova. abertura do poço e retirada do bloco a. o sol não pode incidir diretamente sobre o local da retirada de uma para amostra, à superfície do terreno, para evitar o secamento solo;

7 b. o poceiro deve estar orientado a interromper a escavação alguns centímetros acima da cota prevista para o topo do bloco; c. a fôrma não pode ser cravada, pois isso, provoca uma alteração na estrutura do solo; ela deve descer tão justa quanto possível sem que o operador faça um grande esforço; d. a fôrma deve envolver a amostra, não sendo desejável uma folga entre ela e a superfície do bloco; se isto, não for possível preencher a folga com o solo retirado durante a amostragem; e. a amostra não deve sofrer vibração, durante a retirada; f. não permitir um tombamento brusco da amostra quando da sua separação do maciço; g. o transporte do bloco, do fundo do poço até a superfície do terreno, deve ser rápido para garantir a integridade da amostra. preservação da umidade e da estrutura h. o tratamento, para a preservação da umidade e estrutura, não pode ser feito no fundo do poço ou em lugar fechado, pois a parafina ao derreter emana gases que podem provocar mal estar; i. a primeira camada de parafina líquida, não pode estar muito quente, principalmente, em solos com vazios grandes; com isso, a parafina solidifica mais rápido e não penetra no interior do bloco; j. a primeira etiqueta, que é colocada no topo do bloco, define a correta posição da amostra no interior do maciço; k. ao envolver o bloco com o tecido poroso, sobre a primeira camada de parafina, não deixar folga nem aplicar uma pressão excessiva sobre o solo; l. a parafina colocada sobre o tecido deve estar bem quente para provocar uma aderência entre as duas camadas criando uma casca, parafina-tecido-parafina, rígida e impermeável; m. a segunda etiqueta é colocada na mesma face da primeira para tornar mais fácil e rápido o trabalho de busca do bloco no laboratório. transporte e armazenamento no laboratório n. para uma viagem mais longa o bloco é colocado dentro de uma caixa de madeira e, protegido com serragem ou outro material qualquer; o. informar na parte externa da caixa de madeira que é um material frágil e a posição na qual a caixa deve permanecer durante o transporte; p. a amostra é levada para a câmara úmida do laboratório, colocada na mesma posição que estava no maciço e em local onde não será movimentada até o início da sua utilização; q. a etiqueta permaneça, sempre, visível e legível. retirada de corpos de prova r. elaborar um plano para a retirada dos corpos de prova antes do início de sua utilização; lembre-se que este poderá ser o único bloco disponível para a realização dos ensaios programados; s. evitar uma quebra da estrutura do solo durante a retirada das camadas de parafina; usar uma tesoura para cortar o tecido, se necessário. t. a parte descoberta da amostra não pode ficar exposta ao ar, por um período longo; se outros corpos de prova serão ainda retirados a colocação de um pano úmido sobre o local protegerá a amostra contra a perda de umidade, de modo satisfatório; u. terminada a retirada dos corpos de prova programados o que restou do bloco será parafinado e guardado na câmara úmida. Essa sobra pode ser usada para a retirada de outros corpos de prova ou para os ensaios de caracterização EXEMPLOS Em 10 de outubro de 1990 foi retirada uma amostra deformada e outra indeformada em bloco, no local indicado na Figura 10.5, no Bairro de Santa Genoveva, em São Carlos. Uma identificação visual e tátil mostrou ser o solo uma areia argilosa vermelha. 7

8 8 Figura 10.5 Planta de locação do poço de amostragem Com essas amostras serão realizados os ensaios mostrados nos programas elaborados para cada uma delas. exemplo 1: amostra deformada Com ela serão realizados ensaios de caracterização, de compactação e compactados corpos de prova para ensaios de permeabilidade, consolidação e compressão triaxial rápido; a especificação de compactação dos corpos de prova e as características de cada ensaio estão mostradas na Tabela Tabela10.2 Programa de ensaios : amostra deformada areia argilosa vermelha Santa Genoveva, São Carlos Data : Amostragem : 10/10/90 Poço : 1 Saco : 2 e 3 Prof. 1,0 m Início dos ensaios : 10/12/90 Bloco : 3 4,2 m condições iniciais : w o = 13,7 % (12/10/90) ; amostra limpa sem raízes amostra secada à sombra até w h 10 % (umidade higroscópica em 12.10) Programa de ensaios Ensaio Data Observação granulometria conjunta 10/12 hexametafosfato de sódio limites de consistência (w L ;w P ) 11/12 deixar pasta em repouso por 12 horas massa específica dos sólidos 12/12 5 temperaturas entre 15 e 25 compactação (EC = 580 kj/m 3 ) 13/12 sem reuso, 6 pontos, cilindro pequeno Compactação dos corpos de prova Especificação : w = w ot ± 1 % GC 97 % Características geométricas Número de D cm H cm V cm 3 Camadas CP triaxial 5,0 12,5 245, permeabilidade 5,0 10,0 196, consolidação 6,5 2,5 82, Ensaio Data Observação triaxial rápido : 5/1/91 duas séries; medir pressão neutra 3 = 50; 100 e 200 kn/m 2 prensa 4; velocidade 0,10 mm/min permeabilidade 15/1 2 ensaios; carga variável consolidação 19/1 Medir k nos estágios pares

9 9 exemplo 2: amostra indeformada Da amostra indeformada, de forma cúbica com 25 cm de lado, deverão ser moldados corpos de prova, com as mesmas dimensões daqueles compactados e retirados das posições indicadas na Figura 10.6; na Tabela 10.3, está mostrado o programa de ensaios com os corpos de prova indeformados. Figura 10.6 Bloco: posição de retirada dos corpos de prova Tabela 10.3 Programa de ensaios: amostra indeformada Programa de ensaios CP n o Ensaio Data Observação 1, 2 compressão simples 14/2/91 anel de 0,5 kn triaxial rápido 25/2 3, 4 3 = 50 medir pressão neutra nos 3 ensaios; 5, kn/m 2 prensa 4; velocidade de 0,1 mm/min; 7, D = 5,0 cm H = 12,5 cm 9, 10 consolidação 27/2 medir k nos estágios pares; o = 0,10 kn/m 2 11, 12 permeabilidade 2/3 h = 20; D=5,0; H= 10 cm

10 10 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS No Capítulo 10, foram descritos os processos de retirada de uma amostra representativa, deformada e indeformada, do solo de um maciço; além do procedimento e dos cuidados que se deve ter durante a operação foi, também, feita uma estimativa da massa de sólidos para as amostras deformadas e do número de blocos para as indeformadas em função do tipo e do número de ensaios programados. Segundo Costa Neto (1.998) uma amostra é representativa de uma população quando ela tem as mesmas características dessa população com relação às variáveis que estão sendo investigadas. Aplicando o conceito à mecânica dos solos uma amostra deformada deve definir as características naturais, enquanto, a amostra indeformada deve definir as condições do solo do maciço (população) no momento da amostragem. Da amostra representativa indeformada são retirados corpos de prova com uma geometria bem definida, quase sempre cilíndrica; de uma amostra representativa deformada, através de um processo de desdobramento que não altera as características do solo, são obtidas as amostras reduzidas. Neste Capítulo, está descrito o início do processo de preparação da amostra reduzida, enquanto que, a preparação específica da amostra, para cada ensaio ou teste, está descrita no respectivo capítulo. No Capítulo 13 está descrito o procedimento para a moldagem de um corpo de prova. A Figura 11.1 mostra as diversas etapas que devem ser cumpridas a partir da amostra representativa de um solo até a aceitação ou não dos resultados dos ensaios. Figura 11.1 Etapas a serem cumpridas da amostragem ao ensaio Para materiais granulares, devido à dificuldade de se obter amostra indeformada de boa qualidade o esquema mostrado na Figura 11.1 se reduz à parte da amostra deformada e, os ensaios de limites de consistência não são aplicados a esse grupo de solos sendo substituídos pelos ensaios para a determinação do índice de vazios máximo e do mínimo. As amostras reduzidas são usadas nos testes de identificação tátil - visual, nos ensaios de caracterização, no ensaio de compactação e na compactação de corpos de prova para ensaios de resistência ao cisalhamento, permeabilidade e de consolidação, enquanto os corpos de prova são

11 usados na determinação dos índices físicos e, nos mesmos ensaios realizados com corpos de prova compactados. A descrição do processo de preparação de uma amostra reduzida será feita separadamente, para um material granular e para um solo MATERIAL GRANULAR Um solo é chamado de material granular quando menos de 5% dos sólidos têm tamanhos menores que 0,075 mm, i.é., passam na peneira 200. São as areias, com o tamanho dos grãos variando entre 0,060 e 2,0 mm e os pedregulhos, que têm grãos entre 2,0 e 60,0 mm, segundo padrão adotado no Brasil. Um material granular é caracterizado com o resultado do ensaio de granulometria, da massa especifica dos sólidos e, com a definição da forma e da mineralogia dos grãos. Os valores do índice de vazios máximo e do mínimo definem condições extremas da compacidade do material granular. O procedimento de preparação de uma amostra reduzida de um material granular é o mesmo, a menos dos valores da massa seca que é maior para os pedregulhos e, ele começa com uma secagem inicial do material seguido do desdobramento da amostra. Na descrição do processo, sempre que houver necessidade de um exemplo a areia será tomada como a representante desses materiais Secagem inicial A amostra de areia enviada para o laboratório pode estar limpa ou trazer alguma matéria orgânica (folhas, raízes) e partículas. A retirada da matéria orgânica pode ser feita com as mãos ou usando uma peneira com abertura adequada. A retirada das partículas, se houver interesse, pode ser feita com uma lavação do material na peneira 230, de abertura igual a 0,063 mm, que retém quase toda a fração areia. A amostra, limpa e úmida, é deixada secar ao sol ou em local bem ventilado; se o volume da amostra não for muito grande ela pode ser secada na estufa. A amostra seca é revolvida para torná-la homogênea cuidando para que não se percam grãos; a amostra representativa está em condições de ser desdobrada e se transformar em amostras reduzidas. Se na amostra, depois de secada, ainda aparecerem alguns torrões é porque a lavagem do material não foi suficiente para tirar todo o solo fino ou porque ela não foi feita; usando um destorroador os torrões são facilmente desintegrados Desdobramento O processo de desdobramento de uma amostra representativa, com a utilização de um quarteador, semelhante ao mostrado na Figura 9.5 à direita, está esquematizado na Figura 11.2; existem quarteadores para materiais com diferentes granulometrias, variando a distância entre as grelhas e, para amostras com diferentes tamanhos. O desdobramento da amostra do material granular, como mostrado na Figura 11.2, tem um procedimento que está descrito a seguir: a amostra é repartida e, depositada nas bandejas, à direita, amostra BD e à esquerda, amostra BE, do quarteador, como mostrado na Figura 11.3, á esquerda; cada uma delas é novamente desdobrada resultando quatro amostras, indicadas por BD1, BD2 e BE1, BE2 sendo as duas primeiras resultantes da amostra BD e as outras duas da amostra BE; as amostras resultantes de uma mesma bandeja são colocadas no quadrante superior ou inferior, como mostrado na Figura 11.3, à direita; as amostras diametralmente opostas, BE1-BD2, BE2-BD1, são juntadas e uma delas é colocada em uma vasilha e a outra, agora denominada de B1 e com massa igual à metade da massa inicial, é usada para o segundo desdobramento; o processo se repete até que a amostra BJ tenha um volume que permita o início do processo de desdobramento manual. 11

12 12 Figura 11.2 Esquema de desdobramento de um material granular Figura 11.3 Distribuição das amostras depois de quarteadas A Figura 11.4 mostra o processo de desdobramento de uma amostra com o uso do quarteador, enquanto a Figura 11.5 mostra o quarteamento manual que tem um procedimento semelhante àquele seguido para o quarteador; a amostra BJ é homogeneizada, amontoada e depois separada em quatro partes iguais. Dois quartos, diametralmente opostos, são juntados a parte da amostra não utilizada e os outros dois são juntados para formar a amostra que será novamente quarteada; o processo continua até que a massa seca de um dos quartos tenha a mesma ordem de grandeza da necessária para a realização do ensaio, enquanto, o outro quarto é guardado para uma repetição do ensaio, se necessário. Para evitar a perda de grãos, durante o quarteamento, é aconselhável umedecer a amostra e, em seguida, homogeneizá-la antes do início da repartição manual. Obtida a amostra reduzida ela é colocada em um saco plástico, com uma etiqueta contendo as informações necessárias sobre o ensaio e, depois, guardada em local seguro. A Tabela 11.1 mostra os valores médios das massas secas de uma areia, para os diversos ensaios.

13 13 Figura 11.4 Ilustração do quarteamento: amostra grande e pequena Figura 11.5 Quarteamento manual Tabela 11.1 Massa seca da amostra reduzida: material granular, g Ensaio M s Ensaio M s Peneiramento : areia grossa 250 Testes de identificação 250 areia média 200 Massa específica dos sólidos 150 areia fina 150 Índice de vazios máximo e mínimo 2500 Se o processo manual precisar ser executado sobre uma amostra de volume maior, por falta de um quarteador, esse deve ser realizado em cima de uma manta plástica, com o material granular umedecido. Essas amostras reduzidas terão uma preparação específica para cada ensaio SOLO Sempre que uma amostra tem mais que 5% de partículas, i.é, sólidos menores que 0,075 mm, ela é chamada de solo. O processo de preparação de uma amostra de solo pode ser iniciado com uma secagem ou não da amostra representativa.

14 Para solos finos, com alto teor de argila ou com um argilo-mineral ativo, o processo de preparação sem secagem inicial deve ser sempre o preferido para se evitar uma possível alteração de caráter, às vezes, irreversível nesse solo. Como nem sempre há condições de, inicialmente, se determinar qual o tipo de argilo-mineral está presente no solo, o processo de preparação da amostra sem secagem, deve ser sempre o preferido. Os dois processos de preparação da amostra representativa e o desdobramento desta para a obtenção das amostras reduzidas serão descritos em seguida Com secagem inicial Quando a natureza do solo permite e a umidade atual é alta, não possibilitando que um ensaio possa ser iniciado nessa condição a amostra é colocada em bandejas e deixada secar à sombra, em local com ventilação moderada, até alcançar a umidade higroscópica; durante a secagem a amostra é, constantemente, revolvida, desmanchados os torrões e passada em peneira, de abertura maior que o seu maior grão e homogeneizada quanto a umidade. Terminada a secagem ela é colocada em saco plástico, com etiqueta de identificação do local de onde foi retirada e para que ensaios a amostra está preparada e, depois, levada para a câmara úmida Sem secagem inicial A amostra é colocada em uma bandeja e, recebe o mesmo tratamento descrito no item anterior, para ser homogeneizada quanto a umidade. A amostra é colocada em um saco plástico e identificada do mesmo modo que no item anterior e, depois levada para a câmara úmida. Para um solo, com umidade de campo mais alta, nem sempre é possível iniciar o ensaio de compactação com o solo nessa condição e, por isso, há a necessidade de uma secagem inicial, não precisando ir até a umidade higroscópica, mas, seguida com muito cuidado para que o solo não perca suas características Desdobramento O desdobramento da amostra é feito do mesmo modo que para um material granular até a obtenção da amostra BJ; o quarteador mostrado na Figura 9.5, à esquerda, substitui o processo manual desdobrando a amostra BJ em amostras reduzidas que são utilizadas nos ensaios de massa específica dos sólidos, granulometria e limites de consistência. A preparação final das amostras reduzidas está descrita, no início do capítulo, em cada um dos ensaios. Para uma amostra com umidade inicial muito baixa é recomendável que seja acrescentado um pouco de água e, em seguida, ela é homogeneizada antes de iniciar o quarteamento manual para que a segregação de sólidos seja evitada. A Tabela 11.2 mostra o tamanho máximo dos sólidos, permitido em cada um dos ensaios e, as peneiras nas quais ficam retidos. Tabela 11.2 Tamanho máximo dos sólidos em cada ensaio Ensaio Tamanho máximo Peneira dos sólidos abertura número mm mm # Granulometria conjunta 2,00 2,00 10 Massa especifica dos sólidos 2,00 2,00 10 Limites de consistencia 0,42 0,42 40 Compactação 4,75 4, Na Tabela 11.3 estão mostrados os valores médios da massa seca da amostra reduzida para os testes de identificação, ensaios de caracterização, de compactação com EC = 580 kj/m 3 e, para a compactação de corpos de prova com essa mesma energia.

15 15 Tabela 11.3 Massa seca da amostra reduzida: solo, g Ensaio M s Ensaio M s Massa específica dos sólidos 200 Testes de identificação 500 Granulometria conjunta 200 Compactação Proctor Normal Limites de consistência: com o cilindro pequeno: Casagrande 450 sem reuso, por ponto Cone 500 com reuso Compactação de corpos de prova, por unidade: Diâmetro de 5,0 cm e altura de 12,5 cm 500 Diâmetro de 6,5 cm e altura de 2,0 cm 200 Nesses valores está incluída a determinação do teor de umidade inicial de cada amostra e, a realização dos três ensaios de limites de consistência.

16 16 TESTES DE IDENTIFICAÇÃO TÁTIL-VISUAL A identificação de um solo, a partir do resultado qualitativo de testes tátil-visuais é o passo inicial na caracterização de uma jazida e, pode ser feita no campo ou no laboratório; a identificação vai permitir colocar o solo em uma das classes mostradas na Figura 3.8, definir as frações predominantes e programar os ensaios de caracterização do solo. A habilidade para que a identificação seja feita corretamente, com os testes tátil-visuais é adquirida com a prática e assistência inicial de um profissional experiente. A realização desses testes, por aqueles que estão iniciando seus estudos de mecânica dos solos, permite que seja adquirida a sensibilidade necessária para o reconhecimento das diferentes classes de solos e da criação de um banco de dados necessários à identificação de outras classes de solos. Neste Capítulo são dadas noções básicas e alguns testes mais simples para a identificação; no Apêndice A esse assunto é retomado CLASSES DE SOLOS Na Figura 3.8 está mostrada a divisão dos solos, em função do tamanho dos sólidos, em dois grandes grupos: solos grossos e solos finos; para uma divisão geral basta acrescentar o grande grupo dos solos altamente orgânicos. Os dois primeiros grandes grupos geram cada um dois grupos: pedregulhos e areias e, siltes e argilas. Cada grupo tem duas classes de solos: a granulometricamente pura e a que tem sólidos de dois ou mais grupos; a essas classes deve ser juntada a dos solos altamente orgânicos, normalmente conhecida como solos turfosos. Uma breve descrição de cada um dos grandes grupos será feita a seguir, para auxiliar no trabalho de identificação Solos grossos São aqueles cuja percentagem de ocorrência de grãos é maior que a de partículas; os grãos são visíveis a olho nu, maiores que 0,1 mm e menores que o limite superior da escala granulométrica adotada. O grande grupo de solos grossos pode ser dividido em dois grupos, o de pedregulhos e o de areias e cada um deles em duas classes: pedregulhos puros e solos pedregulhentos e areias puras e solos arenosos. Os pedregulhos e as areias são solos com menos de 5% de sólidos passando na peneira de 0,075mm de abertura (#200) e, são chamados de materiais granulares. Os solos pedregulhentos e os arenosos têm mais de 5% de partículas passando na #200. O termo puro significa que o tamanho de todos os sólidos do solo estão dentro da faixa granulométrica da escala adotada Solos finos São aqueles cuja percentagem de ocorrência de partículas é maior que a de grãos; as partículas não são visíveis a olho nu e aquelas com tamanho mais próximo do limite superior de 0,1 mm são percebidas pelo tato. Apresentam a característica natural da plasticidade, em uma maior ou menor intensidade, dependendo do argilo-mineral presente no solo. Os solos finos são divididos em dois grupos: siltes e argilas, que geram quatro classes: os siltes e as argilas puras e, os solos siltosos e os argilosos, respectivamente Solos altamente orgânicos São conhecidos como solos turfosos e na sua formação tiveram a presença forte de matéria orgânica junto com uma areia ou argila; são pouco usados como material de construção e, também, como suporte de estruturas por terem baixa resistência ao cisalhamento e alta compressibilidade.

17 CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS Além das características naturais, granulometria e plasticidade, usadas na definição da classe em que o solo pode ser enquadrado outras características, naturais ou não, são, também, relevantes no processo de identificação e algumas estão descritas em seguida Cor A cor do solo é a que ele apresenta no momento em que foi amostrado; se a cor não foi definida neste momento e a amostra levada para o laboratório foi, inicialmente, secada ela precisa agora ser umedecida para a definição de sua cor. As cores utilizadas são as clássicas: branco, preto, cinza, marron, vermelho, roxo, amarelo, azul e verde podendo ser acrescentado o termo claro ou escuro. Apenas as duas cores predominantes devem ser incluídas na denominação do solo e, quando ele tem diferentes cores e nenhuma delas é predominante usa-se o termo variegado Forma dos grãos Os grãos de pedregulhos são grandes e visíveis a olho nu e, por isso, podem ter sua forma identificada de um modo fácil e rápido; os grãos de areia, embora, visíveis a olho nu têm tamanhos menores e, por isso, não são identificados quanto a forma. De um modo geral a forma de um grão está situada entre a forma cúbica, quando as três dimensões são aproximadamente iguais e, prismática quando isso não acontece; a Figura 12.1 esquematiza as formas limites. Figura 12.1 Formas limites de um grão As partículas, não sendo visíveis a olho nu, somente podem ter sua forma definida através da microscopia eletrônica Angularidade A angularidade define a condição atual da superfície do grão que pode apresentar desde bordas afiadas e faces rugosas até faces lisas e a não existência de bordas. Este assunto está retomado no Apêndice A com a inclusão de um critério para a definição da angularidade Mineralogia É desejável, sempre que possível, uma identificação expedita dos minerais que compõem a fase sólida do solo; para os grãos essa identificação é mais fácil por serem visíveis Odor É característica marcante nos solos altamente orgânicos. Para qualquer classe de solo odores não usual precisam ser informados Umidade

18 A umidade do solo, no momento em que ele é amostrado, é uma informação importante para indicar a condição atual no maciço e, o que precisa ser feito para a realização dos testes tátil-visuais. A condição atual da umidade do maciço é identificada como: seca, quando, no teste tátil não é sentida a presença de água; úmida, quando no teste tátil a presença de água é sentida, porém, não é vista; molhada, quando a água é visível; é uma característica de solos abaixo do nível de água no solo IDENTIFICAÇÃO Os solos, normalmente, são formados por sólidos cujos tamanhos se enquadram em mais de um grupo; o objetivo dos testes de identificação tátil-visual é definir os dois grupos que têm as maiores percentagens de ocorrência e, também fornecer os dados qualitativos visando a catacterização e, posterior, classificação segundo o sistema de classificação adotado. A Figura 12.2 mostra, nas duas primeiras colunas, os grupos e as classes de solos, com base, apenas no tamanho dos sólidos. Na terceira coluna estão mostrados os tipos de solos possíveis de serem encontrados e, a denominação de cada um deles, segundo o seguinte critério: o nome é o do grupo com maior percentagem de ocorrência seguido do adjetivo oriundo do nome do segundo grupo, quando existir. Dos dezesseis tipos de solos, mostrados na Figura 12.2, quatro são materiais granulares sendo dois puros, quatro são solos grossos e, oito são solos finos sendo dois puros; essa separação está mostrada na Tabela 12.1, onde foram acrescentados dois novos tipos de solos grossos: pedregulho arenoso com finos e a areia pedregulhenta com finos e, um solo altamente orgânico. 18 Figura 12.2 Tipos de solos para identificação tátil-visual Para a definição do tipo de solo a amostra reduzida é identificada quanto a granulometria, a plasticidade e, também, quanto às características pertinentes descritas no item 12.2.

19 Durante a identificação de um solo não é recomendável a utilização de qualquer instrumento de medição para que o iniciante adquira a sensibilidade necessária para desenvolver sua atividade no laboratório; terminada a identificação, uma avaliação do resultado obtido pode ser feita com o uso de instrumentos de medição, que servirá também para a formação de um banco de dados pessoal. Tabela 12.1 Tipos de solos identificados nos testes tátil-visuais Materiais Solos Altamente granulares grossos finos orgânicos pedregulho pedregulho siltoso silte pedregulho argiloso silte pedregulhento pedregulho arenoso pedregulho arenoso com finos silte arenoso silte argiloso turfa areia areia siltosa argila areia argilosa argila pedregulhenta areia pedregulhenta areia pedregulhenta com finos argila arenosa argila siltosa A identificação não pode ser entendida, apenas, como um processo de denominação do solo; por isso, quanto maior o número de informações adicionais for agregado ao resultado dos testes melhor será para a caracterização do solo. O resultado dos testes de identificação é apresentado de dois modos : primeiro, com a descrição dos valores obtidos em cada teste e as demais informações conhecidas do solo; em seguida, com base nos resultados dos testes o nome do solo é retirado da Figura 12.2, ao qual serão acrescentadas outras informações retiradas da descrição, como será mostrado no item Nos três itens seguintes estão descritos os procedimentos adotados para a identificação de um material granular, de um solo grosso e de um fino e, para um solo altamente orgânico Material granular Para a identificação de um material granular, a forma e a angularidade dos grãos são as características levadas em consideração. A amostra reduzida, preparada como descrito no Capítulo 11, é levada à estufa, deixada secar e, depois, resfriada em um dessecador até atingir a temperatura ambiente; em seguida, é feita a estimativa da massa seca ou do volume da amostra. Com a adoção de uma das escalas mostradas na Tabela 3.1, é feita a separação visual dos grãos, menores e maiores que o tamanho limite entre areia e pedregulho; para isso, o operador deve observar, durante alguns segundos, a abertura da peneira correspondente a esses limites para memorizar o tamanho dos grãos que serão separados, antes de iniciar essa operação. Terminada a separação, com a colocação dos grãos de pedregulho e de areia em dois montes, é feita uma estimativa da massa ou do volume de cada grupo e comparado com o respectivo valor inicial estimando-se a percentagem correspondente a cada grupo e, assim, definindo qual deles é o predominante. O grupo com a maior percentagem de ocorrência tem seus grãos separados, visualmente, nos subgrupos mostrados na Tabela 3.1 e, estimada a percentagem do subgrupo predominante, em massa ou volume. O tamanho do maior e do menor grão é, também, estimado para facilitar a escolha do conjunto de peneiras que será usado para a obtenção da curva granulométrica, quando da caracterização do material. Quando a amplitude dos tamanhos dos grãos é grande e mostra uma variação contínua o material granular é identificado como bem graduado; quando uma das duas condições não é satisfeita o material granular é mal graduado. A forma e a angularidade dos grãos de pedregulho, sempre que o grupo predominar, é avaliada e o resultado dado em valor percentual; para isso, os grãos cúbicos e prismáticos são separados e, observada se a superfície de cada grão está lisa ou rugosa e se tem ou não bordas. A cor predominante e, sempre que possível, a mineralogia dos grãos é uma informação útil para a identificação do material granular. 19

20 Encerrado os testes é feita a descrição sobre o material granular fornecendo os dados conhecidos e os resultados qualitativos obtidos. A identificação depende do resultado dos testes e a denominação é dada nessa ordem: nome do grupo e do subgrupo com maior valor percentual, o adjetivo do nome do segundo grupo e a graduação do material Solos altamente orgânicos A identificação dos solos altamente orgânicos é apoiada, apenas, em suas principais características, como a cor marron escuro ou preta, um forte odor, a existência da matéria orgânica que entrou na sua formação e uma umidade alta; são freqüentemente encontrados nas margens de rios e de córregos Solo Na Tabela 12.1 estão relacionados os tipos de solos que devem ser identificados; seis deles são solos grossos e, oito são solos finos sendo dois puros. Um solo é considerado grosso quando a massa ou o volume dos grãos retidos na # 200 representa mais de 50% da massa ou volume da amostra reduzida; quando isso não acontece tem-se um solo fino. Aos grãos retidos na # 200 dá-se o nome de fração grossa do solo e as partículas que passam formam a fração fina. A identificação de um solo leva em conta tanto o tamanho dos grãos quanto a plasticidade dos finos e, também, as características descritas no item O processo de identificação é iniciado com a definição do grupo predominante: se os grãos predominarem tem-se um solo grosso e, em caso contrario um solo fino. Para isso, pode ser feita a lavagem de uma porção do solo, com massa ou volume estimado, na # 200 e comparar a massa ou o volume dos grãos retidos com o da porção. Alguns testes simples, descritos no item 12.7, podem ser usados, mas, exigem alguma prática. Nos itens seguintes estão descritos os procedimentos para a identificação de um solo. solo grosso A massa ou o volume da amostra reduzida que será usada nos testes deve ser estimada. Em seguida, os grãos e as partículas são separadas, visualmente, formando duas novas amostras que colocadas uma ao lado da outra permite fazer uma avaliação percentual de cada uma delas. Durante a separação lembrar que as partículas podem se juntar umas às outras formando torrões que podem ser confundidos com grãos; por isso, a amostra deve ser destorroada antes do início da separação dos sólidos. O procedimento para a identificação do grupo grosso predominante é o mesmo descrito para materiais granulares, item 12.4, mas, sem a necessidade de definir a sua graduação. Para a definição do grupo fino predominante existem diversos testes e, alguns deles estão descritos no item 12.7 e outros no Apêndice A. Com os testes terminados e, feita a descrição e a identificação do solo, os resultados obtidos podem ser conferidos; para isso, as duas porções da amostra reduzida são juntadas ou usando a segunda amostra, é realizado um peneiramento com lavagem inicial do solo na # 200 e, depois da secagem dos grãos retidos são calculadas a percentagem de cada grupo e o resultado quantitativo do peneiramento é comparado com o resultado qualitativo estimado. A denominação de um solo grosso é dada, nessa ordem: nome do grupo grosso predominante, nome do grupo fino adjetivado seguido da cor do solo. Quando o solo é arenoso, mas, tem, também, pedregulhos, mesmo que com uma participação pequena, acrescenta-se ao nome do solo a expressão com pedregulhos, antes da cor. solo fino Dos oito tipos de solos finos relacionados na Tabela 12.1, quatro têm somente partículas, os siltes e as argilas puras e, os siltes argilosos e as argilas siltosas e, os quatro restantes têm grãos e partículas, os siltes pedregulhentos e os siltes arenosos e, as argilas pedregulhentas e as argilas arenosas. 20

21 Como os grãos são minoria e, as partículas não são visíveis a olho nu, em um solo fino não é realizada a separação visual das duas frações do solo e, a estimativa da percentagem de cada uma delas é feita com os testes de sensação ao tato e de sedimentação, ambos descritos no item Como opção aos dois testes a lavagem da amostra na # 200, com a secagem dos grãos retidos e o cálculo da percentagem correspondente pode ser usada. Um solo fino pode ter uma origem inorgânica ou orgânica; os solos inorgânicos têm cor mais clara, não apresentam odores característicos de matéria orgânica e são mais plásticos. Os solos orgânicos, que são diferentes dos solos altamente orgânicos, são aqueles que durante o processo de formação sofreram alguma interferência de matéria orgânica capaz de influenciar suas propriedades; apresenta cor mais escura, odores característicos e são menos plásticos. A definição do grupo grosso quando com a maior percentagem de ocorrência é feita do mesmo modo que para um solo grosso. A definição do grupo fino predominante é feita através do resultado dos testes descritos no item 12.7 e no Anexo A. Uma característica dos siltes e das argilas pode ser observada durante os testes e depois usada na identificação do tipo de solo: as partículas maiores de silte, embora não visíveis a olho nu, são perceptíveis ao tato mostrando uma aspereza quando uma porção da amostra é esfregada na palma da mão; quando um torrão úmido de argila é cortado a superfície resultante é lisa e brilhante e, se o torrão for amassado o contato solo-dedo é macio TESTES PARA A IDENTIFICAÇÃO DOS FINOS Sensação ao tato É um teste usado para definir a sensação predominante na palma da mão; com alguma experiência é possível definir se a amostra é de um solo grosso ou de um fino. Para realizar o teste uma porção úmida do solo, colocada na palma da mão, é esfregada com um dedo e a sensação produzida é avaliada. Os grãos são visíveis a olho nu e produzem uma sensação áspera e desagradável na palma da mão, enquanto as partículas de argila e as menores de silte produzem uma sensação de maciez. Se a sensação áspera existe e os grãos não são vistos ela é devido as partículas maiores de silte Sedimentação É um teste, também, usado para definir se o solo é grosso ou fino. Uma amostra do solo, que passa na peneira de abertura 2 mm (#10), é colocada em um tubo de ensaio ou em uma proveta pequena e, preenchido com água até a marca indicativa da capacidade útil do elemento. A suspensão é agitada e deixada em repouso. Os grãos sedimentam rapidamente formando uma camada no fundo do tubo de ensaio ou da proveta e, sobre eles as partículas de silte. As partículas de argila demoram mais para sedimentar e, a suspensão permanece turva durante algumas horas. Uma comparação entre o volume depositado dos grãos com o das partículas de silte e a cor da suspensão permite avaliar se o solo é grosso ou fino; se o solo foi avaliado como fino a cor da suspensão, se mais clara ou mais escura, permite identificar o grupo fino predominante, silte ou argila, respectivamente. Na Figura 12.3 estão mostradas duas provetas com suspensões diferentes; à esquerda, a suspensão é de um solo grosso arenoso e, à direita, de um solo fino argiloso, para um mesmo tempo de sedimentação. 21 Figura 12.3 Teste de sedimentação

22 Se a massa seca da porção é, inicialmente, conhecida no final do teste pode ser feita uma lavagem da suspensão na peneira de abertura # 200; os grãos retidos são secados e determinada a massa seca e calculada a percentagem de ocorrência dos grãos e dos finos. Com o resultado obtido a identificação inicial pode ser conferida Impregnação O teste é feito com os sólidos menores que 0,42 mm e, que passam na # 40; pode ser usada uma parte da amostra reduzida preparada para os ensaios de limites de consistência. Inicialmente, é preparada uma pasta e uma porção dela é colocada na palma de uma das mãos; com um dedo o solo é esfregado na palma e, em seguida, a mão é colocada embaixo de uma torneira aberta com uma vazão moderada, durante algum tempo, com isso, retirando o solo da mão, restando uma mancha sobre a palma. A cor da mancha indica o grupo fino predominante; se ela é clara o grupo fino predominante é o dos siltes, enquanto que se a mancha for escura e difícil de ser retirada o grupo é o das argilas. Na Figura 12.4, à esquerda está mostrada a mancha deixada por um solo siltoso e, à direita, por um solo argiloso; na parte superior das figuras estão mostradas os solos, preparados para o teste, na palma da mão antes dela ser lavada. 22 solo siltoso solo argiloso Figura 12.4 Teste de impregnação Desagregação Um torrão do solo fino, secado ao ar, é colocado em uma vasilha com água, porém, mantendo imerso apenas parte da altura do torrão. O grupo fino predominante é definido como o dos siltes se a desagregação é rápida e como das argilas se for lenta ou não ocorrer em um prazo razoável. Na Figura 12.5, à esquerda, está mostrado o resultado para um solo siltoso e, à direita, para um solo argiloso, no instante inicial e após alguns minutos. Figura 12.5 Teste de desagregação

23 Resistência à compressão O teste de resistência à compressão pode ser feito para definir se um solo é arenoso ou fino e, também, para definir o grupo fino predominante. Um torrão de solo, secado ao ar, é colocado entre o polegar e o indicador e submetido a uma pressão. Se o torrão se esfarela sob uma pressão baixa o solo é arenoso; um solo siltoso suporta uma pressão média, enquanto, um solo argiloso suporta uma pressão grande e, às vezes, não rompe. No Apêndice A este assunto será retomado. Na Figura 12.6, no alto estão mostrados os corpos de prova de um solo siltoso, à esquerda e, de um solo argiloso, à direita; na parte central está mostrado o resultado do teste com os dois solos, enquanto que, na parte inferior, à esquerda, a realização do teste como o solo siltoso. O resultado obtido com esses testes é entendido como preliminar e precisa ser complementado com os demais testes, descritos no Apendice A. Figura 12.6 Teste de resistência à compressão 12.5 EXEMPLOS Neste item são apresentados exemplos de relatórios de identificação de um material granular, de um solo grosso e de um fino. exemplo 1: material granular Uma amostra representativa de um material granular foi retirada no Porto de Areia n o 3, situado à margem esquerda do Rio Mogi-Guaçu, próximo à ponte na Rodovia SP- 255: Araraquara- Ribeirão Preto e, recebida no dia Como o interesse era identificar, apenas, a fração retida na # 200 a amostra foi lavada nessa peneira para a retirada dos finos e, depois secada ao sol. A amostra foi desdobrada em um quarteador até se chegar a três amostras com massas, em torno, de 1 kg; em seguida, com uma delas foi realizado um quarteamento manual e separadas duas amostras reduzidas, diametralmente opostas, para serem usadas nos testes de identificação e no ensaio de peneiramento. As duas restamtes foram guardadas, separadamente, para a repetição do ensaio, se necessário. A amostra para os testes de identificação foi deixada secar na estufa elétrica, por mais 45 minutos e, depois de resfriada foi feita a pesagem da amostra resultando uma massa seca de 220 g e um volume de 150 cm 3 medido com uma proveta. Foram realizados os testes de tamanho dos grãos, com a avaliação do tamanho máximo e mínimo, adotando a escala 2 mostrada na Tabela 7.1, a forma, a angularidade e, a mineralogia dos grãos, todos testes visuais. A descrição e a identificação do material granular, com base nos resultados obtidos nos testes:

24 Descrição: 80% dos grãos são de areia e 20% de pedregulhos finos. O tamanho dos grãos varia entre 10 e 0,1 mm e, não apresenta descontinuidades; a areia tem 45% de grãos grossos, 30% de grãos médios e 5% de grãos finos. O mineral predominante é o quartzo. Cor predominante é a branca com alguns grãos amarelos. Identificação: areia grossa com pedregulhos, bem graduada. exemplo 2: solo grosso Uma amostra representativa foi retirada em um talude no local do Centro Desportivo, no Campus USP 1, de São Carlos, a 2 m de profundidade. A amostra estava úmida e foi deixada secar até a umidade higroscópica e, depois desdobrada em um quarteador até se ter uma amostra com massa, em torno, de 1,5 kg; com o quarteamento manual foram obtidas amostras reduzidas para os testes de identificação e, posteriormente, para os ensaios de caracterização. Para a definição da graduação do grupo grosso foi adotada a escala 1, mostrada na Tabela7.1. Com o resultado dos testes realizados com os dois grupos tem-se: Descrição: 60% dos sólidos são maiores que 0,1 mm e menores que 2,0 mm; 40% dos grãos são de areia fina. O resultado do teste de impregnação mostrou uma mancha escura e difícil de ser retirada. A amostra não apresentava cheiro de matéria orgânica e a cor, no momento da amostragem era vermelha escura. A geologia mostra ser o solo um Sedimento Cenozóico Arenoso. Identificação: areia fina argilosa, vermelha escura. exemplo 3: solo fino Uma amostra foi retirada de um talude de uma estrada próximo à cidade de Rio Claro SP, a 2,5 m da superfície. O solo estava úmido e as amostras reduzidas foram obtidas sem a secagem do solo. Descrição: A cor do solo, definida no laboratório, é cinza esverdeada. A fração grossa é percentualmente pequena e predomina a areia fina. O teste de sensação ao tato mostrou que o grupo das argila é predominante, mas, partículas de silte, também, foram sentidas. O teste de impregnação mostrou uma mancha não tão escura, mas difícil de ser retirada. O teste de desagregação mostrou um resultado lento, enquanto que o teste de resistência à compressão mostrou um valor entre médio e alto. O argilo-mineral predominante não foi identificado. Identificação: argila siltosa, cinza esverdeada. 24

25 25 MASSA ESPECÍFICA E TEOR DE UMIDADE No Capítulo 4 foram definidos os índices físicos e mostradas as equações de correlação entre eles; dos sete índices físicos três são obtidos através de ensaios no laboratório,três outros são calculados com as equações de correlação e a massa especifica da água é admitida constante na maior parte dos ensaios. A massa especifica do solo pode ser determinada por dois diferentes processos descritos neste Capítulo: o primeiro, com um corpo de prova cilíndrico, moldado de uma amostra indeformada ou compactado usando uma amostra deformada e o segundo, com o processo de imersão do corpo de prova em água e pode ser feito com os dois tipos de amostras. O procedimento para a determinação do teor de umidade está descrito utilizando três diferentes modos de secagem do solo MASSA ESPECÍFICA A determinação da massa específica exige que sejam conhecidos os valores das grandezas, massa e volume da amostra; a massa através de uma pesagem e o volume através da medição do diâmetro e da altura do corpo de prova cilíndrico, moldado ou compactado. Às vezes, o corpo de prova não pode ter uma forma bem definida e o volume é obtido com o processo de imersão, em água ou mercúrio. Nos itens seguintes estão descritos os três modos de se determinar a massa específica: corpo de prova moldado, corpo de prova compactado sob condições especificadas e corpo de prova com uma geometria qualquer. A massa especifica do solo é fornecida com três casas decimais, em gramas por centímetro cúbico e, é sempre maior que 1,000 g/cm Moldado Na Figura 13.1 está mostrada uma amostra indeformada, bloco cúbico de aresta igual a 25 cm, com um dos cantos já sendo utilizado para a moldagem de corpos de prova. Figura 13.1 Bloco de amostra indeformada Na Figura 13.2 está mostrada a seqüência inicial de operações para a moldagem de um corpo de prova cilíndrico, com diâmetro de 5 cm e altura de 12,5 cm. O processo é iniciado com a retirada, em um dos cantos do bloco, Figura 13.2.a, de uma amostra prismática com dimensões, aproximadas, de 8 x 8 x 15 cm, Figura 13.2.b. Assim que, a operação de retirada do prisma tiver terminada, para evitar a perda de umidade do solo, colocar uma toalha úmida sobre a área descoberta do bloco se novas amostras serão retiradas em seguida ou repor as camadas de parafina e levar o bloco para a câmara úmida se apenas no dia seguinte ele voltar a ser utilizado.

26 26 Figura 13.2 Seqüência de operações para moldagem de um corpo de prova Uma das faces do prisma deve ser deixada plana; em seguida, o prisma é colocado com a face plana sobre o fundo do berço, mostrado na Figura 9.8. A altura de um corpo de prova cilíndrico usado em ensaios de mecânica dos solos é de 100 ou 125 mm e, o diâmetro de 50 mm. Tomando como referência as laterais do berço, como mostrado na Figura 13.3, deixar o topo e a base do cilindro, planas e paralelas e, acertar a altura desejada. A amostra é levada para o torninho de moldagem, mostrado na Figura 9.8 e, preso a ele com as garras existentes na base e no topo de modo que o eixo longitudinal permaneça na direção vertical; essas duas condições são essenciais para a obtenção de uma amostra reduzida representativa do solo no campo Com uma faca, espátula ou com o arco, pois cada tipo de solo se comporta melhor com uma delas, ir retirando o excesso lateral, como mostrado na Figura 13.4, transformando o prisma em um cilindro com diâmetro, em torno, de 50 mm, usando as guias existentes no torninho, como referência. Figura 13.3 Corte longitudinal da amostra e berço Durante a moldagem do corpo de prova são retiradas amostras para a determinação do teor de umidade, Figura Com um paquímetro realizar a medição da altura e do diâmetro, em diferentes posições; os valores médios, das duas grandezas, serão usados no cálculo do volume do corpo de prova. Após o término das medições, incluindo a pesagem, em balança com capacidade e resolução apropriada aos ensaios a serem realizados; para os ensaios descritos neste texto uma balança com resolução de 0,01 g é um instrumento apropriado Compactado O corpo de prova é compactado dentro de um molde cilíndrico bipartido, com o diâmetro interno e a altura útil exigida para o ensaio. Na Figura 13.5 está mostrado o corte longitudinal e uma foto do compactador. Depois de realizado o ensaio de compactação, com uma dada energia, os corpos de prova são compactados com os valores da massa especifica seca e do teor de umidade, retirados da curva de compactação; a especificação para essas grandezas admitem um intervalo de variação, da forma w = w ot ± x % e ρ d = GC ρ dmax, onde GC é o grau de compactação desejado.

27 27 Figura 13.4 Moldagem e corpo de prova pronto; amostra para teor de umidade Da amostra reduzida, preparada para a compactação dos corpos de prova, são retiradas amostras, pelo menos três, para a determinação do teor de umidade, enquanto o restante da amostra é levado a uma balança para uma pesagem. Em seguida a amostra é colocada em um saco plástico e levada para a câmara úmida. Se M o e w o são os valores da massa da amostra e do teor de umidade resultante das medições efetuadas e se w e ρ d são o teor de umidade e a massa especifica seca dos corpos de prova, deve-se proceder como descrito a seguir: a. calcular a massa de sólidos da amostra com a equação M s = M/(1+w o ); b. como, geralmente, w > w o, calcular a massa amostra com o teor de umidade w, M = M s (1+w); c. a massa de água a ser acrescentada a amostra para passar de w o para w é igual a ΔM w = M - M o, e, ΔV w = ΔM w, pois, ρ w = 1,000 g/cm 3 ; d. colocar a água, homogeneizar a amostra quanto a umidade; e. retirar amostras para a determinação do teor de umidade, no mínimo três cápsulas; f. a massa especifica do corpo de prova compactado é igual a ρ = ρ d (1+w); Figura 13.5 Compactador de corpos de prova: corte longitudinal e foto g. se D e H são o diâmetro e a altura especificadas calcular o volume do corpo de prova compactado e igual a V = 0,25 π D 2 H;

28 h. com o volume e a massa especifica do corpo de prova calcular a massa de solo necessária e igual a M cp = ρ V = 0,25 ρ π D 2 H; i. o corpo de prova é compactado em diversas camadas de alturas iguais; j. definido o número de camadas, m, calcular a massa de solo que será usada em cada uma das camadas e,igual a M i = M cp / m; k. na haste do soquete usado para a compactação do corpo de prova existem marcas que definem as alturas das camadas para m = 3 e 5; l. ao terminar a compactação de uma camada o topo dela deve ser escarificado, com a ponta de um elemento cortante, para facilitar o entrosamento entre as camadas;para corpos de prova que serão usados, apenas, para a determinação dos índices físicos a escarificação não é necessária; m. terminada a operação de compactação são realizadas medições do diâmetro, da altura e da massa do corpo de prova Com uma geometria qualquer Quando, por um motivo qualquer, não é possível moldar um corpo de prova cilíndrico, com as dimensões padronizadas, mas, a amostra indeformada ou compactada permite moldar um corpo de prova, aproximadamente, esférico com diâmetro, em torno, de 2 cm o seu volume pode ser obtido com o processo de imersão do corpo de prova em água destilada; o mercúrio é uma opção a água destilada, mas, para isso, o solo deve ter uma resistência suficiente para não apresentar variação volumétrica nem se quebrar. Durante a moldagem do corpo de prova são retiradas amostras, no mínimo três, para a determinação do teor de umidade; terminada a moldagem fazer a pesagem do corpo de prova e, em seguida, impermeabilizá-lo com uma camada de parafina e, realizar duas pesagens, uma ao ar e outra imerso em água destilada. A temperatura da água destilada deve ser medida e levada ao valor mais próximo encontrado na Tabela C.1, do Anexo C e retirar a massa específica da água nessa temperatura. A equação que permite o cálculo do volume do corpo de prova está apoiada no princípio de Arquimedes, que transformada nos valores medidos das massas resulta ( ) ( ) [13.1] onde M é a massa do corpo de prova, (M + M par ) é a massa do corpo de prova parafinado, ambas medidas ao ar, e (M + M par ) i é a massa do conjunto imerso; w é a massa específica da água na temperatura medida e par é massa específica da parafina. A dedução da equação [13.1] está mostrada no Apêndice B TEOR DE UMIDADE O teor de umidade é a relação entre a massa de água e a de sólidos, existentes em um mesmo volume de solo, e para calculá-lo é preciso fazer duas pesagens da amostra: a primeira, úmida e a segunda depois de secada. Durante a moldagem ou a compactação do corpo de prova são retiradas amostras para a determinação do teor de umidade; nesta ou em qualquer outra situação é recomendável a obtenção de, no mínimo, três valores. A secagem do solo pode ser feita na estufa elétrica padrão, EEP, na estufa de raios infravermelhos, ERIV ou no forno microondas, FMO; a EEP é a estufa recomendada na norma brasileira e nas internacionais, enquanto, a ERIV e o FMO são procedimentos alternativos, para uma estimativa rápida do teor de umidade e que depois deve ser confirmada com a EEP Estufa elétrica padrão EEP Com a porção de solo colocada na cápsula ela é, imediatamente tampada e levada para o dessecador onde permanecerá até o término da operação de moldagem; em seguida, ainda fechada é feita a pesagem para a determinação da massa do solo úmido mais a massa da cápsula, M + M c. As cápsulas abertas, mas com a tampa em baixo, são levadas para a estufa lá permanecendo pelo tempo necessário para a retirada da água; a temperatura da estufa elétrica padrão deve permanecer 28

29 dentro do intervalo de 105 a 110º C. Apenas como ordem de grandeza uma amostra arenosa leva 6 horas para secar e a de um solo argiloso precisa de 12 horas na estufa. As cápsulas, logo depois de retiradas da estufa, são tampadas e levadas para o dessecador onde permanecem até atingir a temperatura ambiente. Com a mesma balança usada na primeira pesagem é medida a massa do conjunto, M s + M c, de sólidos e cápsula. 29 Figura 13.6 Pesagem das cápsulas para determinação do teor de umidade A massa de água retirada da amostra é igual à diferença entre as duas pesagens, M w = (M + M c ) (M s + M c ) = M M s e a massa de sólidos é a diferença entre a segunda pesagem e a massa da cápsula M s = (M s + M c ) - M c e o teor de umidade é igual a [13.2] O teor de umidade é dado em termos percentuais, com uma casa decimal e seu valor varia no intervalo aberto, w 0%. Na determinação do teor de umidade alguns cuidados devem ser tomados: a. antes do inicio do ensaio as cápsulas e tampas, que serão usadas, são separadas; b. verificar se a cápsula e a tampa têm o mesmo número; c. as cápsulas e as tampas devem estar, inicialmente, limpas e, em bom estado de uso; d. em caso de dúvida, sobre o tempo necessário para a secagem da amostra, devem ser feitas pesagens, em intervalos de tempo iguais, até que os valores obtidos em duas pesagens sucessivas não tenham sido alterados de modo significativo Estufa de raios infravermelhos ERIV As cápsulas usadas são de porcelana e suas massas precisam ser conhecidas. Três amostras úmidas, cada uma delas com massa, em torno, de 50 g são colocadas em diferentes cápsulas e, imediatamente, levadas para as pesagens iniciais em uma balança onde serão realizadas pesagens das amostras ao longo do processo de secagem. As cápsulas são levadas para a estufa e, cada uma delas é colocada em baixo de uma lâmpada. Em seguida, a estufa é ligada e iniciada a contagem do tempo de permanência das cápsulas na estufa; decorridos 5 minutos a estufa é desligada e, as cápsulas são levadas para o dessecador e deixadas resfriar até que seja possível pegá-las sem luvas e, levadas para uma nova pesagem. Se M o é a massa úmida inicial da amostra e M 1 é a massa no final do primeiro ciclo, ΔM = M o M 1 é a massa de água retirada nesse ciclo. Os ciclos se repetem até que a diferença, entre duas pesagens sucessivas, seja menor que 0,2% da massa inicial da amostra.

30 A massa obtida na última pesagem é considerada igual a massa do solo seco e, o teor de umidade pode ser calculado com a equação [13.1]. No Apêndice B esse assunto está retomado e um detalhamento maior do ensaio foi apresentado Forno microondas - FMO A secagem do solo segue a recomendação da norma americana. Para solos com sólidos menores que 2,0 mm a massa da amostra é, da ordem, de 100 g e, é colocada em uma cápsula de porcelana de tamanho suficiente para que o solo fique espalhado dentro dela. A massa inicial da amostra precisa ser medida logo após a colocação na cápsula. A amostra é colocada no FMO, que está na potencia alta, junto com uma vasilha com água como prevenção a um super aquecimento. O processo é iniciado secando-se a amostra por 3 minutos; decorrido esse tempo a cápsula é retirada, levada para o dessecador onde permanece até que seja possível pegá-la sem luva. A pesagem da amostra indica a massa de água retirada nesse primeiro ciclo de secagem; em seguida, é, novamente, levada para o FMO e deixada por mais um minuto, depois retirada, resfriada e novamente pesada. A operação anterior é repetida até que a diferença entre duas pesagens seguidas seja inferior a 0,1% da massa inicial; quando isso ocorrer a massa obtida na última pesagem é considerada a massa de sólidos e, o teor de umidade pode ser calculado. No Apêndice B este assunto está retomado para uma descrição mais ampla da secagem do solo no FMO SÍMBOLOS E UNIDADES Os símbolos e as unidades das diversas grandezas que entram no cálculo dos índices físicos estão mostradas na Tabela Os símbolos são aqueles recomendados na norma brasileira ou os usados com mais freqüência na literatura internacional e as unidades são as do Sistema Internacional de Unidades descrita no Anexo G. Tabela 13.1 Símbolos e unidades Grandeza Símbolo Unidade Grandeza Símbolo Unidade Massa : Massa específica: água M w água w ar M ar seca d cápsula M c g saturada sat g/cm 3 sólidos M s sólidos s solo solo não saturado M solo submerso ' Volume : água V w teor de umidade w % ar V ar sólidos V s cm 3 grau de saturação S r % solo índice de vazios e - V vazios V v porosidade n % 13.4 CÁLCULO DOS ÍNDICES FÍSICOS Obtida a massa especifica e o teor de umidade do solo com os ensaios descritos e, a massa especifica dos sólidos, cujo procedimento de ensaio está descrito no Capítulo 14, tem-se condição de calcular os demais índices físicos, com equações de correlação em função dos obtidos experimentalmente; existem outras equações correlacionando os índices físicos como pode ser visto

31 31 no Capítulo 4. Todos os índices físicos são calculados com três casas decimais. massa específica seca A massa específica do solo seco é calculada com a equação e poderá ter um valor menor que 1,000 g/cm 3. massa específica submersa É calculada com a equação ' = sat - w. No Apêndice B está mostrado como se pode chegar a essa equação e suas condições de validade. índice de vazios O índice de vazios é calculado com a equação e, é sempre maior que zero. porosidade É calculada com a equação e seus valores estão dentro do intervalo aberto 0 a 100 %. grau de saturação É calculado com a equação e varia no intervalo fechado 0 a 100 %. massa específica da água Na maior parte dos cálculos, a massa específica da água é considerada constante e igual a 1,000 g/cm 3 ou kg/m 3 ; quando ocorrer a necessidade de se considerar a variação com a temperatura, deve ser consultada a Tabela C.1 do Anexo C EXEMPLOS exemplo 1: corpo de prova moldado Uma amostra indeformada, bloco cúbico com 30 cm de aresta, foi retirada no Bairro do Aeroporto, em São Carlos, em um poço, a 1,5 m da superfície. Um corpo de prova foi moldado com a forma de um cilindro e, determinada a sua massa e realizadas as medições do diâmetro e da altura, com um paquímetro de resolução igual a 0,1 mm, nas posições indicadas na Figura Durante o processo de moldagem do corpo de prova foram retiradas amostras para determinação do teor de umidade, massa específica dos sólidos e ensaios de caracterização, cujos resultados estão mostrados na Tabela 13.2.

32 32 Figura13.7 Esquema para medição do diâmetro e da altura Tabela 13.2 Resultado dos ensaios de caracterização Ensaio Areia Silte Argila Granulometria Grossa Média Fina % Limites de consistência Liquidez Plasticidade Índice de plasticidade % Massa especifica dos sólidos g/cm 3 2,688 cor Granulométrica Unificado Classificação Vermelha Areia média e fina argilosa SC: areia argilosa solo. Na Tabela 13.3 estão mostrados os valores das medições realizadas e dos índices físicos do Tabela 13.3 Índices físicos de um corpo de prova moldado Teor de umidade Valores medidos e calculados Cápsula P-71 P-81 P-91 H D A V M ρ cm cm cm 2 cm 3 g g/ cm 3 M + M c 35,90 34,34 37,32 11,73 4,95 19,24 225,73 1,585 M s + M c 33,41 31,91 34,83 11,75 4,89 18,78 220,67 1,622 M c g 11,20 10,95 12,97 11,80 4,94 19,17 226,17 357,84 1,582 M w 2,49 2,43 2,49 11,78 4,96 19,32 227,61 1,572 M s 22,21 20,96 21,86 11,74 4,91 18,93 222,29 1,610 w % 11,2 11,6 11,4 Valores médios w 11,4 11,76 4,93 19,09 224,49 1,594 Índices físicos g/cm 3 1,594 w 11,4 s 2,688 n % 46,8 w 1,000 S r 34,9 d 1,424 e - 0,879

33 33 exemplo 2: processo da imersão Depois de feitas as medições no corpo de prova cilíndrico, do item anterior, uma amostra foi retirada do seu interior e transformada em uma esfera; três medições do diâmetro mostraram valores iguais a 25,3, 25,5 e 25,1 mm, com diâmetro médio igual a 25,3 mm. Foram realizadas pesagens do corpo de prova ao ar, sem e com a parafina e imerso em água e os resultados estão mostrados na Tabela A massa específica do solo obtido através do processo da imersão é 0,9% maior que aquela obtida com a moldagem de um corpo de prova cilíndrico gerando diferenças entre os valores calculados dos índices físicos pelos dois processos, sem influência na prática da engenharia. Tabela 13.4 Determinação do volume com o processo de imersão M g 15,15 (par) g/cm 3 0,9120 [M + M(par)] 17,32 T C 22,5 [M + M(par)] i 5,56 w 0,9977 M(par) 2,17 V w cm 3 11,80 V(par) 2,38 V 9,42 D cm 2,62 Índices físicos g/cm 3 1,608 w % 11,4 s 2,688 n 46,3 w 1,000 S r 35,5 d 1,443 e - 0,863 exemplo 3: corpo de prova compactado O resultado do ensaio de compactação, com a energia de 580 kj/m 3, Proctor Normal, com o solo do Bairro Aeroporto, São Carlos, está mostrado na Figura Na mesma Figura os pontos A e B representam, respectivamente, a condição de compactação esperada e a obtida; o corpo de prova ao ser retirado do molde expandiu e a deformação volumétrica específica foi igual a ε v = 1,2 %. Figura 13.8 Curva de compactação e especificação Serão compactados seis corpos de prova, com diâmetro de 5,0 cm e altura de 12,5 cm, com um grau de compactação, GC 98% e com um teor de umidade dentro do intervalo w ot 1 < w < w ot + 1%, com ρ d 1,770 g/cm 3 e 13,5 < w < 14,5%; a área hachurada na Figura mostra onde se encontram os valores que satisfazem a especificação. O teor de umidade da amostra deformada, retirada no mesmo momento da indeformada, foi determinado no dia anterior ao programado para a compactação dos corpos de prova e resultou igual a w = 9,8%, mostrando ter sido secada nesse intervalo de tempo.

34 Como a compactação dos corpos de prova não será realizada no mesmo dia a opção foi a de preparar as amostras reduzidas individualmente e, por segurança duas a mais, totalizando oito; as duas a mais serão utilizadas caso se tenha a necessidade de repetir algum ensaio. Os valores de ρ d = 1,788 g/cm 3 e w = 14,5 % foram admitidos para se estimar a massa de solo necessária à compactação dos corpos de prova. Na Tabela 13.5 estão indicados os valores, necessários para a compactação de cada corpo de prova, calculados a partir dos adotados para a massa específica seca e o teor de umidade. Tabela 13.5 Dados necessários para a compactação dos corpos de prova Características dos corpos de prova: ρ d = 1,788 g/cm 3 w = 14,5 % ρ = ρ d (1+w) = 2,047 g/cm 3 D = 5,00 cm H = 12,5 cm V = 245,43 cm 3 M s = ρ d V = 438,78 g M = ρ V = 502,40 g Teor de umidade: 3 cápsulas por corpo de prova M 3 = 100,00 g Massa da amostra reduzida / corpo de prova M cp = 602,40 g Corpo de prova compactado com: 5 camadas de altura 2,5 cm cada Massa de solo por camada : M i = 100,48 g Massa da amostra reduzida: M cp = 602,40 g w = 14,5 % M s = 526,11 g w o = 9,8 % M o = 577,67 g Massa e volume de água a ser acrescentada a amostra reduzida: w = 14,5 % M cp = 602,40 g M s = 526,11 g M w = 76,29 g V w = 76,29 cm 3 w o = 9,8 % M o = 577,67 g M s = 526,11 g M w = 51,56 g V w = 51,56 cm 3 Água a ser acres centada ΔM w = 24,73 g ΔV w = 24,73 cm 3 A Figura 13.9 mostra, à esquerda, a compactação e, à direita, o corpo de prova compactado e retirado do molde; em seguida, são realizadas cinco medições do diâmetro e da altura, como mostrado na Figura 13.7 e, três determinações do teor de umidade; os valores esperados e os médios obtidos estão mostrados na Tabela 13.6 e, também os índices físicos calculados com esses valores. 34 Figura 13.9 Compactação de um corpo de prova e corpo de prova pronto Tabela 13.6 Resultados esperados e obtidos Esperado Obtido Esperado Obtido ρ d 1,788 g/cm 3 1,772 g/cm 3 D 5,00 cm 5,02 cm w 14,5 % 14,1 % H 12,50 cm 12,55 cm GC 99,0 % 98,1 % V 245,43 cm 3 248,39 cm 3 M 502,40 g 502,18 g M s 438,78 g 440,12 g Índices físicos ρ 2,047 g/cm 3 2,022 g/cm 3 n 33,5 % 34,1 % e 0,503 0,518 S r 77,5 % 73,2 %

35 35 A Figura mostra os esquemas dos corpos de prova, para as duas situações e, os volumes e as massas das três fases e do solo. Figura Esquema do corpo de prova nas duas situações

36 36 MASSA ESPECÍFICA DOS SÓLIDOS O valor da massa específica dos sólidos depende do tipo de mineral e da percentagem de ocorrência de cada um deles no solo e, é um valor que pode ser admitido constante por se alterar muito pouco com o tempo. Para o cálculo da massa específica dos sólidos é preciso conhecer o valor de duas outras grandezas: a massa e o volume de sólidos existentes no mesmo volume de solo; a massa é obtida através de uma pesagem e o volume, de um modo indireto usando o princípio de Arquimedes. A descrição está apresentada em duas partes: a primeira para materiais granulares e a segunda para solos; a descrição do procedimento do ensaio está dividida em cinco etapas: preparação da amostra reduzida, retirada do ar existente na suspensão, realização do ensaio, massa de sólidos e, cálculo da massa específica dos sólidos. No item seguinte serão apresentados dois exemplos: o primeiro com um material granular e o segundo com um solo. No Apêndice C estão mostradas a dedução da equação [14.1], a calibração teórica e a experimental do picnômetro e uma comparação entre os valores obtidos com esses dois modos MATERIAL GRANULAR O material granular usado no ensaio deve ter grãos menores que 2 mm e maiores que 0,075 mm e,portanto, é um ensaio para a determinação da massa específica dos grãos de areias. A descrição do procedimento de ensaio será feita seguindo as etapas citadas inicialmente Amostra reduzida A amostra reduzida foi preparada, inicialmente, como descrito no item Agora a preparação continua com a colocação na estufa elétrica padrão até que tenha secado; em seguida é colocada em um dessecador onde permanecerá até atingir a temperatura ambiente. A amostra é levada a uma balança, com resolução de 0,01 g, onde é feita a primeira pesagem; o valor da massa seca inicial, M so, deve estar entre 70 e 90 g. A amostra é colocada no picnômetro, com volume útil de 500 cm 3 e, para evitar a perda de grãos é recomendável a utilização de um funil, com o diâmetro interno da haste igual a 1,5 vezes o tamanho do maior grão da amostra; a Figura 14.1 mostra os elementos usados na transferência de um material granular, à esquerda e de um solo argiloso, à direita. Terminada a operação de transferência dos sólidos é preciso colocar um volume de água destilada no picnômetro, em torno de 250 cm 3, o que leva a superfície da água à metade da altura do bulbo. A suspensão está pronta para o início da segunda etapa Retirada do ar Como o volume dos sólidos é obtido através de pesagens do conjunto, picnômetro e suspensão, é preciso que todo o ar, inicialmente, existente na suspensão seja retirado. Na retirada do ar pode ser usado um dos dois processos: aplicação de vácuo e fervura branda. No primeiro processo, é aplicada no interior do picnômetro uma pressão de 88 kn/m 2, inferior à pressão atmosférica ao nível do mar, igual a 101 kn/m 2 ; se medida em altura de coluna de mercúrio ela é de 66 e 88 cm, para a pressão aplicada e a atmosférica, respectivamente. Na Figura 14.2, à esquerda, está mostrada a retirada de ar de um material granular e, à direita de um solo fino. Logo após a aplicação da pressão, ar começa a sair criando bolhas na superfície e, o processo é interrompido quando as bolhas deixam de existir. O volume útil do picnômetro está indicado por uma marca existente na haste. O próximo passo é completar com água destilada o volume útil do picnômetro; a parte mais baixa do menisco formado na haste tangencia a marca existente, como mostrado na Figura O processo de retirada do ar é, então, reiniciado e permanece até que todo o ar tenha saído. No segundo processo, durante a fervura moderada da água e, para agilizar a saída do ar pode ser dado um movimento lento de rotação ao picnômetro. A continuação do processo é igual ao anterior.

37 37 Figura Colocação da amostra no picnômetro: material granular e solo Figura 14.2 Retirada do ar existente na suspensão No final do processo a temperatura da água deaerada poderá estar fora do intervalo de calibração do picnômetro que é de 15 a 25º C; para se chegar a esse intervalo o picnômetro é resfriado ou esquentado. Atingida a temperatura dentro do intervalo o ensaio, propriamente dito, pode ser iniciado. Figura 14.3 Posição final da água na haste do picnômetro

38 Ensaio Com a variação da temperatura na suspensão e no picnômetro há uma subida ou descida do nível de água na haste e, que agora precisa ser colocado na posição correta, introduzindo ou retirando água deaerada. Para evitar a entrada de ar durante a colocação da água deaerada o picnômetro é levemente inclinado e a água escorre lentamente na parede interna da haste. A temperatura da água é homogeneizada com movimentos lentos do termômetro e, é considerada homogênea quando os valores resultantes de medições realizadas em três alturas diferentes não se afastam mais que 0,5º C um dos outros. Quando isso ocorrer a média desses valores é a temperatura da primeira determinação e será admitida igual ao valor mais próximo encontrado na Tabela J.1, do Anexo J, para obter a massa especifica da água. A parte interna da haste, acima do menisco e a superfície externa do picnômetro são secadas e, em seguida, é realizada a pesagem do conjunto (picnômetro+sólidos+água) e obtida a massa, M 1 = M p + M w + M s na temperatura T i=1 e na mesma balança em que foram realizadas outras pesagens desse ensaio. A primeira determinação está encerrada e a segunda pode ser iniciada. Durante toda essa fase o picnômetro deve ser conduzido com muito cuidado para que não ocorra uma movimentação excessiva da água no seu interior. Dependendo do processo usado na retirada do ar a temperatura T i=1 está próxima de um dos extremos do intervalo e para se alcançar a temperatura de ± 1,5º C, acima ou abaixo da anterior, o conjunto deve ser esquentado ou resfriado; alcançada a temperatura T i=2 todas as operações realizadas na primeira determinação são repetidas. Um mínimo de cinco determinações da massa M 1 é desejável para se obter um valor médio da massa especifica dos sólidos Massa de sólidos final Em seguida, a suspensão é recolhida em uma vasilha de evaporação, retirado o excesso de água e,depois, levada para a estufa; depois de secos os grãos são deixados resfriar, em um dessecador, para depois ser feita a pesagem para a obtenção da massa de sólidos, M s, cujo valor deve ser da mesma ordem de grandeza da massa de sólidos inicial, M so Massa especifica dos sólidos A massa especifica dos sólidos é a relação entre a massa de sólidos e o volume de sólidos, ambos para um mesmo volume de solo, o volume de sólidos é igual a, como mostrado no Apêndice C, resultando a equação,. [14.1] Os valores de, M 2 e de ρ w, devem ser obtidos para cada temperatura T i do ensaio; M 2 na curva de calibração experimental do picnômetro ou com a equação [C.6] do Apêndice C e, ρ w retirada da Tabela J.1, do Anexo J, para a temperatura mais próxima do valor medido SOLO A determinação da massa especifica dos sólidos de um solo, arenoso ou argiloso com tamanho dos sólidos menores que 2 mm, é semelhante ao procedimento descrito para um material granular, com algumas diferenças na fase de preparação da amostra reduzida Amostra reduzida A amostra reduzida é homogeneizada quanto a umidade; dela serão retiradas três porções para a determinação do teor de umidade, com secagem da amostra na estufa elétrica e, mais uma para secagem no forno microondas para se ter uma estimativa rápida do teor de umidade do solo. Com o valor obtido no FMO é calculada a massa de sólidos existente na massa da amostra e, que deve ter, em torno, de 60 g para solo arenoso e 50 g para solo argiloso. A amostra reduzida deve ser pesada em balança, com resolução de 0,01 g, obtendo a massa de solo inicial, M o.

39 Separada a porção de solo para ensaio ela é colocada em uma cápsula de porcelana e, água destilada é acrescentada para a formação de uma pasta homogênea; em seguida, a pasta é coberta com uma película de água e deixada em repouso por 12 horas. No dia seguinte transferir a pasta para o copo do dispersor, mostrado na Figura 9.7, cuidando para que não se percam sólidos; o fundo da cápsula deve ficar limpo. Adicionar água destilada à pasta, para diminuir a concentração da suspensão e, deixar bater durante dez minutos. Transferir a suspensão do copo do dispersor para o picnômetro usando um funil de haste longa, como mostrado na Figura 14.1, á direita. Lavar o copo, com água destilada, para a retirada dos sólidos e, também, a parte interna do funil e a externa da haste que contêm sólidos. O volume da suspensão transferida para o picnômetro não poderá ser maior que 250 cm 3 e deve alcançar, no máximo, a metade da altura do frasco Retirada do ar A retirada do ar é feita com a aplicação da pressão de 88 kn/m 2 e segue o descrito no item A Figura 14.2 mostra, à direita, a retirada do ar de uma amostra de solo argiloso. As demais fases são iguais às do material granular, com uma diferença: não é possível retirar o excesso de água, no final do ensaio, pois, ainda existem partículas em suspensão e todo o volume é levado à estufa para secagem e, posterior, pesagem CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO Segundo a norma brasileira são aceitos os valores que se encontram dentro do intervalo de variação da média: ρ s 0,020 ρ s ρ s + 0,020 g/cm 3, onde ρ s é a média aritmética dos valores calculados. Do conjunto inicial dos valores calculados aqueles que não se enquadram no critério de aceitação são desprezados e outra média é calculada com os valores restantes e o critério novamente aplicado. O resultado do ensaio é aceito como válido se o valor médio da massa específica dos sólidos resultar de, pelo menos, três determinações. Para a norma da ASTM não há rejeição de valores do conjunto inicial e o resultado é dado com a média e o desvio-padrão dos valores calculados EXEMPLOS exemplo 1: material granular Com uma amostra reduzida da areia, cuja curva granulométrica está mostrada na Figura 5.1 e Exemplo , foi realizado um ensaio para a determinação da massa específica dos grãos; depois de secada na estufa elétrica e resfriada a amostra foi pesada resultando uma massa seca inicial igual a 86,26 g e, depois, do ensaio a massa seca é igual a M s = 86,24 g. A Tabela 14.1 mostra os valores obtidos em sete determinações, com a temperatura variando entre 16,8 e 24,0 ºC e os valores de M 2 tirados da curva de calibração experimental do picnômetro 20, mostrada no Anexo C. O picnômetro 20 foi, também, calibrado seguindo as recomendações da norma ASTM, deaerando a água destilada; o resultado está mostrado na Tabela 14.2 onde, também estão os valores calculados de M 2 e da massa específica dos sólidos. Segundo o critério de aceitação da norma brasileira todos os valores calculados da massa específica dos sólidos são válidos e a massa específica dos grãos da areia é igual a 2,674 g/cm 3 ; quando M 2 é calculado com a equação proposta pela ASTM, [ ] [14.2] a massa específica dos sólidos tem um valor médio de 2,664 g/cm 3, com um desvio-padrão de 0,004 g/cm 3 e, é 0,4% menor que o da ABNT. 39

40 40 Tabela 14.1 Resultado do ensaio, segundo a NBR T 16,8 18,1 19,5 21,2 22,1 22,9 24,0 M 1 712,20 712,13 711,86 711,74 711,64 711,55 711,46 M 2 658,12 658,01 657,87 657,70 657,61 657,52 657,38 M s 86,24 ρ w (T) 0,9988 0,9986 0,9983 0,9980 0,9978 0,9975 0,9973 ρ s, (T) 2,678 2,681 2,670 2,673 2,672 2,671 2,674 Critério de aceitação ABNT determinações s (média) s Intervalo de aceitação 7 18,719 2, ,654 s 2,694 Massa específica dos sólidos : s = 2,674 g/cm 3 Tabela 14.2 Resultado do ensaio, segundo norma americana Calibração do picnômetro n o 20 - ASTM M p = 158,84 g T c = 18,6º C M 2 (T c ) = 658,09 g ρ w (T c ) = 0,9985 g/cm M 2 (T c ) 658,24 658,14 657,99 657,84 657,74 657,59 657,49 ρ s 2,668 2,670 2,660 2,661 2,661 2,665 2,665 Critério de aceitação determinações s (média) s Intervalo de variação 7 18,650 2,664 0,004 2,660 s 2,668 Massa específica dos sólidos : s = 2,664 g/cm 3 A descrição do processo de calibração do picnômetro está mostrada no Apêndice C. exemplo 2: solo Uma amostra de solo do Bairro Aeroporto (a mesma do exemplo1, Capitulo 13, item 13.5) foi usada para a determinação da massa específica dos sólidos. Uma estimativa do valor do teor de umidade da amostra, com secagem do solo no forno microondas, resultou em 9,5%. A massa de sólidos na amostra reduzida deve estar em torno de 60 g; para definir o valor da massa de solo que contém as 60 g de sólidos foi determinado o teor de umidade com a secagem da amostra no FMO e, depois calculada a massa de solo para uma massa de sólidos igual a 62 g. Com a determinação do teor de umidade, com a secagem na estufa elétrica, no dia seguinte foi possível corrigir a estimativa feita na véspera. Na Tabela 14.3, na coluna inicial, estão mostrados os calores estimados da massa inicial de solo e, o valor corrigido com o teor de umidade obtido com a EEP; na coluna final está mostrado o valor da massa de sólidos determinada no fim do ensaio e a diferença entre elas em gramas e percentualmente. Na Tabela 14.3 os valores da massa estão em gramas e o teor de umidade em percentagem. Tabela 14.3 Dados da amostra reduzida Teor de umidade Inicial Final Cápsula n o P 11 P 19 P 21 w (FMO) 9,5 Frasco 26 M + M c 34,06 35,02 34,18 M s (adotado) 62,00 M s + M c 669,03 M s + M c 32,04 33,14 32,25 M(estimado) 67,89 M c 607,49 M c 11,21 13,59 12,37 M s 61,54 M w 2,82 1,88 1,93 M s - M so - 0,12 M s 20,83 19,55 19,88 M o 67,64 w 9,7 9,6 9,7 w (EEP) 9,7 ΔM - 0,2 % w (médio) 9,7 M so 61,66 Na Tabela 14.4 estão mostrados os valores medidos e os calculados no ensaio.

41 Na Tabela 14.5 estão mostrados os valores da massa específica dos sólidos obtidos calculando os valores de M 2 com a equação da ASTM. Segundo o critério de aceitação da ABNT todos os valores calculados são válidos e a massa específica dos sólidos da areia argilosa é igual a 2,688 g/cm 3. O valor médio da massa específica dos sólidos, com o cálculo de M 2 com a equação [14.2], é 2,685 g/cm 3, com desvio-padrão de 0,005 g/cm 3 é 0,1% menor que o obtido com a com a curva experimental de calibração. Tabela 14.4 Resultado do ensaio, segundo norma brasileira NBR T C 16,5 17,6 18,8 20,4 21,7 23,2 24,2 M 1 g 699,61 699,53 699,45 699,30 699,20 699,04 698,83 M 2 660,97 660,88 660,73 660,59 660,50 660,31 660,16 61,54 M w g/cm 3 0,9989 0,9987 0,9984 0,9981 0,9979 0,9975 0,9973 s 2,684 2,685 2,692 2,691 2,689 2,691 2,684 Critério de aceitação ABNT determinações s (média) s Intervalo de aceitação 7 18,816 2,688 0,020 2,668 s 2,708 Massa específica dos sólidos : s = 2,688 g/cm 3 Tabela 14.5 Resultado do ensaio, segundo a D 854, ASTM Calibração do picnômetro n o 20 - ASTM M p = 161,54 g T c = 23,5ºC M 2 (T c ) = 660,26 g ρ w (T c ) = 0,9974 g/cm M 2 661,01 660,91 660,74 660,61 660,51 660,31 660,21 s 2,680 2,682 2,691 2,688 2,688 2,691 2,678 Critério de aceitação determinações s (média) s Intervalo de variação 7 18,798 2,685 0,005 2,680 s 2,690 Massa específica dos sólidos : s = 2,685 g/cm 3 41

42 42 GRANULOMETRIA O par de valores, tamanho dos sólidos - percentagem de ocorrência, pode ser obtido de modo diferente dependendo da classe de solo; para os materiais granulares, areias e pedregulhos, com o peneiramento de uma amostra secada em estufa e para os solos com um ensaio de granulometria conjunta. Uma variante, às vezes, adotada para os solos é a realização de um peneiramento da fração grossa após o solo ter sido lavado na peneira # 200. Os pontos são plotados em um gráfico semi-logarítmico e, traçada uma curva contínua, de onde são tiradas as percentagens de cada fração que depois são usadas na classificação granulométrica e na denominação do solo. No Apêndice D e no Anexo L, também, estão tratados assuntos de interesse da granulometria dos solos PENEIRAMENTO O peneiramento é um processo de separação dos grãos, de um material granular, em intervalos regulares de tamanhos que são definidos pelas aberturas das peneiras. Os limites, superior e inferior do tamanho dos grãos são, respectivamente, iguais às aberturas da peneira em que ficam retidos todos os grãos e, daquela, na qual todos passaram. O conjunto de peneiras é formado por um prato, peneiras e tampa. O prato recolhe os sólidos que passam na peneira de menor abertura colocada sobre ele. As peneiras com aberturas crescentes de baixo para cima, até a superior, que tem uma abertura maior que o tamanho do maior grão e, por isso, nada deve ficar retido em sua malha; a tampa colocada em cima da peneira superior completa o conjunto. A Figura 15.1 mostra um conjunto de peneiras, com aberturas em progressão geométrica de razão igual a 2 e, o esquema de montagem das peneiras. Figura 15.1 Conjunto e esquema de colocação das peneiras Nas Tabelas L.1 e L.2, do Anexo L, estão listadas as duas séries de peneiras usadas nos ensaios com materiais granulares, com grãos maiores e menores que 5 mm, respectivamente. Para a descrição do procedimento do ensaio foi considerado as diversas fases que o compõem: preparação da amostra reduzida, escolha do conjunto de peneiras mais adequado, ensaio propriamente dito, resultado obtido e, traçado da curva granulométrica Amostra reduzida A amostra reduzida que é usada no ensaio sai daquela preparada como descrito no Capítulo 11. O valor da massa seca da amostra depende do tamanho dos grãos; na Tabela 15.1 estão mostrados alguns valores que podem ser usados como ordem de grandeza para a definição da massa seca amostra reduzida.

43 43 Tabela 15.1 Massa seca da amostra reduzida pedregulho areia grosso fino grossa fina M s - g A amostra deve ser secada, resfriada até a temperatura ambiente e, depois é feita a pesagem em balança adequada à sua massa Conjunto de peneiras O conjunto de peneiras a ser usado é escolhido em função do tamanho máximo e mínimo dos grãos, estimado visualmente. Se o material granular tiver grãos de pedregulho e de areia, as duas frações devem ser separadas usando para isso a peneira de abertura 2,00 mm (#10) e, depois definido o conjunto de peneiras para cada fração. A peneira superior, aquela na qual passa todo o material, deve ter uma abertura logo acima do tamanho do maior grão; se o tamanho máximo foi estimado em 1,5 mm a peneira com abertura, imediatamente, acima é a de 1,70 mm (#12), como pode ser visto na Tabela L.2. Se o material tem grãos tão pequenos e difícil de estimar o menor tamanho pode ser usada a peneira de abertura 0,075 mm (#200) ou realizar um pré-peneiramento. Definida a abertura máxima e a mínima das peneiras o conjunto é escolhido de tal modo que as aberturas formem uma progressão geométrica; com isso, quando plotadas em escala logarítmica formam um conjunto de pontos eqüidistantes. Para o exemplo dado poderia ser escolhido um dos conjuntos mostrados na Tabela Tabela 15.2 Conjunto de peneiras conjunto 1 conjunto 2 # abertura # abertura # abertura # abertura 8 2, , , , , , , , , , , , ,600 prato = 20 0, , , , ,425 Prato = razão: 2 razão: 2 0,5 = 1,4142 A abertura da #12 não faz parte da progressão geométrica, mas, foi colocada no conjunto 1 porque a estimativa visual do tamanho do maior grão foi de 1,5 mm e, ela pode não estar correta; por esse motivo o conjunto foi iniciado com a # 8. A opção pelo conjunto 1 leva a um ensaio mais rápido por ter um número menor de peneiras e, por isso a uma distribuição das peneiras em intervalos maiores, enquanto que a opção pelo conjunto 2 leva a um ensaio mais demorado, mas, a uma aproximação das peneiras com o aumento do número de pontos para o traçado da curva granulométrica Ensaio O conjunto de peneiras escolhido é levado para o vibrador adequado ao material granular (areias), mostrado na Figura 15.2 ou para o outro tipo de vibrador (pedregulhos), mostrado na Figura 9.16; o vibrador produz, simultaneamente, um movimento horizontal e vertical nas peneiras facilitando a passagem dos grãos. A amostra é colocada na peneira superior e tampada para se evitar a perda de grãos no início do processo vibratório; a vibração das peneiras deve ser de 10 a 15 minutos. Terminada a vibração o conjunto é desmontado e os grãos retidos em cada peneira são transferidos, com todo cuidado, para um recipiente e, em seguida realizada a pesagem final.

44 44 Figura 15.2 Vibrador: Solotest e RoTap Resultado A pesagem dos grãos retidos em cada peneira e no prato é feita na mesma balança usada na pesagem da amostra. A soma das massas retidas deve ser, aproximadamente, igual a massa seca inicial, admitindo-se uma diferença, em módulo, inferior a 0,5%. A percentagem de grãos retidos, em cada peneira e no prato, será calculada com a equação [15.1] onde o numerador é a massa dos grãos retidos em cada peneira de abertura i e o denominador é a soma das massas dos grãos retidos nas peneiras e no prato Curva granulométrica Calculadas as percentagens retidas, em cada peneira e no prato, é preciso calcular a percentagem retida até uma dada peneira, com a equação [15.2] e a percentagem de grãos que passam na mesma peneira é calculada com a equação [15.3] Com os pontos resultantes da colocação dos pares de valores, número ou abertura da peneira, no eixo das abscissas em escala logarítmica e, a percentagem retida acumulada ou a percentagem que passa, no eixo das ordenadas, é traçada uma linha contínua, que melhor se ajusta aos pontos, resultando a curva granulométrica do material granular GRANULOMETRIA CONJUNTA O ensaio de granulometria conjunta é apropriado a solos e, com uma única amostra é possível obter o tamanho dos grãos e das partículas e suas respectivas percentagens de ocorrência. Para a descrição do ensaio ele foi dividido em seis etapas: preparação final da amostra reduzida, colocação da amostra na proveta, ensaio de sedimentação, procedimento pós-ensaio, resultado e curva granulométrica Preparação da amostra No Capítulo 11 foi descrito o modo de preparação de uma amostra reduzida para os ensaios de caracterização de duas diferentes maneiras; agora, a partir daquela amostra e, independentemente, do modo como foi obtida é descrita a preparação final dessa amostra para o ensaio de granulometria conjunta.

45 A umidade da amostra é inicialmente homogeneizada e, em seguida, retirada três porções para a determinação do teor de umidade inicial, com secagem na estufa elétrica; uma quarta porção pode ser usada na estimativa rápida do teor de umidade secando o material no forno microondas. O primeiro passo é com relação a massa de sólidos que é usada no ensaio; para a definição da massa da amostra pode ser usada a seguinte recomendação: para solos, com sólidos menores que 2,0 mm, a massa seca da amostra é, da ordem, de 120 g para solos arenosos e 70 g para solos argilosos, mas, para os dois casos a massa de partículas, aquelas que passam na peneira 200, deve estar entre 35 e 45 g. Se o solo tiver grãos maiores que 2,0 mm um peneiramento inicial na #10 define a percentagem de pedregulhos e a massa da amostra reduzida que vai ser preparada. Com a estimativa do valor do teor de umidade obtido com o forno microondas e a classe de solo, com uma identificação tátil-visual, a massa da amostra é calculada em função dos valores citados, com a equação M = M s [1 + w(fmo)]. Com um quarteamento manual se obtém a amostra reduzida final com um valor próximo àquele calculado. A massa, M o, da amostra é obtida com uma pesagem na mesma balança usada anteriormente; em seguida, é colocada água destilada para a formação de uma pasta. Se o solo tem grãos maiores que 2,0 mm eles precisam, agora serem separados com um peneiramento, por extrusão, na #10; os grãos retidos e a malha da peneira são lavados com água destilada e a suspensão é recolhida junto com a parte da amostra que passou na #10. Os grãos de pedregulho são colocados na estufa e depois de secados é determinada a massa, M s (D>2,0) e, guardados para o ensaio de peneiramento. À porção que passou na #10 é acrescentado um volume de 125 cm 3 da solução defloculante, preparada com hexametafosfato de sódio; a preparação dessa solução está descrita no Apêndice D. A amostra é homogeneizada e deixada em repouso por 12 horas, em local pouco ventilado e à sombra, com uma película de água sobre ela. Passado o período de repouso a amostra é transferida para o copo do dispersor; a vasilha onde a amostra estava é lavada com água destilada, para recolher todos os sólidos restantes e, juntada a suspensão do copo. A suspensão deve ser homogeneizada por, pelo menos, 10 minutos. A amostra está preparada para ser transferida para uma proveta, com características próprias para o ensaio Colocação da suspensão na proveta A transferência da suspensão para a proveta é facilitada com a colocação de um funil sobre ela; terminada a transferência o copo do dispersor é lavado com água destilada para a retirada de todos os sólidos e, também, a parte interna e a externa do funil tomando-se o cuidado para que o volume da suspensão na proveta não ultrapasse cm 3. O volume útil da suspensão, indicado por uma linha na proveta, deve ser completado com água destilada. A amostra está preparada para iniciar a etapa de sedimentação do ensaio Sedimentação O instrumento de medição usado na sedimentação é o densímetro de bulbo simétrico, Figura 9.17, que está calibrado para realizar medições da densidade de uma suspensão a 20º C. O ensaio é iniciado com a suspensão homogênea em relação à concentração de sólidos; para se chegar a essa homogeneidade a palma de uma das mãos é colocada sobre o topo da proveta e a outra na base, realizar um movimento rápido com os braços que permita fazer com que a posição inicial da proveta se inverta, passando da posição (a) para a (b) até atingir a posição (c), tal como, mostrado na Figura Um mínimo de cinco ciclos deverá ser realizado para que a suspensão possa ser considerada, inicialmente, homogênea. 45

46 46 Figura 15.3 Homogeneização da suspensão A proveta é, imediatamente, apoiada sobre uma superfície horizontal e, acionado o cronômetro para o início da contagem do tempo de sedimentação dos sólidos. Durante o ensaio o densímetro é introduzido na suspensão segundos antes de cada medição da densidade (leitura feita na haste do densímetro) e retirado logo após, em tempos pré-determinados. A introdução e a retirada do densímetro da suspensão são realizadas lentamente e com um leve movimento de rotação, para não causar uma perturbação na queda dos sólidos; durante a introdução o densímetro somente é liberado em uma posição próxima de seu ponto de equilíbrio. A leitura é feita na parte superior do menisco formado junto a haste, como mostrado na Figura 15.4 nos tempos pré-determinados; a primeira leitura é feita após um minuto do inicio da contagem do tempo de sedimentação. Manter duas outras provetas ao lado da com a suspensão e, as três em um lugar onde não bata sol direto; na primeira, contendo apenas água destilada será usada para manter o termômetro e o densímetro durante o intervalo de tempo entre leituras e, na segunda proveta é colocada uma solução de água destilada e solução defloculante igual àquela usada na preparação da suspensão. O volume, em cada uma dessas duas provetas, também, é de 1000 cm 3. Figura 15.4 Formação do menisco e realização de leitura As provetas devem ficar próximas para que a temperatura do fluido, em cada uma delas, seja a mesma. Em cada instante pré-determinado é feita a medição da densidade e da temperatura na suspensão e na solução; se na leitura seguinte as temperaturas forem iguais a leitura da densidade da solução não precisa ser feita. A medição da densidade da solução é para corrigir o valor da densidade da suspensão em uma mesma temperatura, como está mostrado no Apêndice D. Para se evitar a correção da leitura na suspensão a temperatura de ensaio deve ser a mesma da de calibração do densímetro, i. é, 20º C. Para isso, o laboratório precisa ter um tanque de imersão da proveta com um sistema de manutenção constante da temperatura.

47 A primeira medição da densidade da suspensão é um minuto depois de iniciado a contagem dos tempos, mas como este intervalo é, às vezes, muito curto ela pode ser feita a dois minutos resultando uma distância maior entre o último ponto do peneiramento (#200) e o primeiro da sedimentação, sem prejuízo para o traçado da curva granulométrica. As leituras continuam até que tenha sido possível obter o menor tamanho de partícula desejado ou o maior tamanho de partícula da fração argila tenha sido alcançado. No Apêndice D está descrito em detalhes as correções que as leituras do densímetro devem sofrer Pós-ensaio Terminada a fase de sedimentação, a suspensão é passada na #200 para a separação dos grãos de areia; como a operação de lavação do solo precisa de um volume maior de água pode ser usada a proveniente da rede, porém, filtrada. A porção que passa através da malha da peneira não é recolhida e, portanto, a massa de sólidos depois do ensaio não é determinada. Os grãos de areia são levados para secagem na estufa, resfriados até a temperatura ambiente e, depois pesados na mesma balança usada na pesagem inicial da amostra, com uma resolução de 0,01 g. Em seguida, é realizado o peneiramento dos grãos de areia e, também, dos grãos maiores que 2,0 mm Resultado 47 O resultado do ensaio é dado por dois conjuntos de pares de valores: o primeiro, referente ao peneiramento da fração grossa, onde os dados são o número ou a abertura da peneira e a percentagem retida acumulada ou a percentagem que passa. O segundo, referente à etapa de sedimentação, onde são dados o diâmetro equivalente da partícula e a percentagem de partículas com tamanhos menores que o calculado. O cálculo da percentagem de ocorrência tanto no peneiramento quanto na sedimentação é feito em relação à massa de sólidos do ensaio, que é igual à soma das parcelas: M s = M s (D 2,0) + M s (0,075 D < 2,0) + M s (D < 0,075) [15.4] onde, a primeira é a massa dos grãos retidos na # 10 e, que não fazem parte da etapa de sedimentação, a segunda é a massa dos grãos que passam na # 10 e ficam retidos na # 200, enquanto que, a terceira é a massa das partículas que passam na # 200 e não é conhecida. A massa de sólidos é determinada indiretamente a partir da massa inicial da amostra reduzida, M o e, do teor de umidade da amostra, w o, com a equação, [15.5] Como a massa de sólidos não foi medida, mas, calculada é recomendado muita atenção durante as pesagens iniciais e, também, para que não se percam sólidos durante a passagem de uma etapa do ensaio para a seguinte. A percentagem retida, a retida acumulada e a que passa é calculada, como mostrado em Para a etapa de sedimentação o tamanho das partículas, transformado em um diâmetro equivalente, é calculado com uma equação derivada da lei de Stokes e, igual a [15.6] Com as unidades dessas grandezas comumente usadas no laboratório, z em cm, s e w em g/cm 3, em Pa.s desprezando-se a potência de 10-4, t em minutos e, g = 9,81 m/s 2 a equação [15.6] é simplificada para [15.7] resultando D em mm. A viscosidade dinâmica, e, a massa especifica da água, w, são funções da temperatura da suspensão e, a massa especifica dos sólidos menores que 2,0 mm, s, é obtido em ensaio próprio; a distância de sedimentação, z, é calculada com a equação de calibração do densímetro e t é o tempo decorrido entre o inicio da sedimentação e o momento da leitura.

48 A percentagem de partículas, com diâmetros equivalentes menores que D, é calculada com a equação, ] [15.8] onde l é o valor da leitura na suspensão e l sol na solução. Na notação simplificada, apenas os algarismos depois da virgula são anotados, como descrito no Apêndice D, item D Curva granulométrica Os pares de valores calculados são representados em uma folha própria onde no eixo das abscissas, em escala logarítmica, são colocados os tamanhos dos sólidos e no eixo das ordenadas a percentagem retida acumulada ou a que passa AMOSTRA LAVADA NA # 200 Algumas vezes pode não ser necessário conhecer a distribuição granulométrica da fração fina, mas, apenas o seu valor percentual; nesse caso, o ensaio de granulometria conjunta é simplificado com a amostra depois de preparada sendo lavada na #200 e recolhendo o material retido para secagem e, posterior peneiramento EXEMPLOS exemplo 1: peneiramento O resultado do ensaio de peneiramento de um material granular está mostrado na Tabela A massa seca inicial da amostra era de 122,15 g. Tabela 15.3 Resultado do ensaio de peneiramento # Abertura M s P r (#---) P r (#---) P p (#---) mm g % % % 4 4,75 = = = 100,0 8 2,36 6,59 5,4 5,4 94,6 16 1,18 15,55 12,7 18,1 81,9 30 0,600 26,86 22,0 40,1 59,9 50 0,300 34,02 27,9 48,0 32, ,150 23,03 18,9 86,9 13, ,075 15,54 12,7 99,6 0,40 Prato = 0,49 0,4 100,0 = = 122,08 = = = Durante o ensaio houve uma perda de 0,07 g de sólidos, correspondente a 0,06% da massa de sólidos final. A Figura 15.5 mostra a curva granulométrica do material granular. Na Tabela 15.4 estão mostradas as percentagens da fração pedregulho e da areia, segundo a divisão proposta em norma brasileira e, também, o valor do coeficiente de uniformidade e, do de curvatura, a classificação granulométrica e a unificada. Com uma amostra retirada no Campus 1 da USP, em São Carlos, foi realizado o ensaio de granulometria conjunta. A massa especifica dos sólidos, menores que 2,0 mm, foi obtida em ensaio próprio resultando um valor igual a 2,726 g/cm 3. O densímetro usado na sedimentação é do tipo 151H, da ASTM e, a sua equação de calibração é z = 16,36-0,27 [l + c(m)] onde l é a leitura na suspensão e, c(m) é a correção da leitura devido a formação do menisco, ambas, colocadas na notação simplificada. O diâmetro equivalente, em cada leitura, foi calculado com a equação [15.7] e a percentagem de partículas com diâmetros menores que o calculado com a equação [15.8] que simplificada para os valores constantes do ensaio resulta P(<D) = 1,3726 (l l sol ). 48

49 49 Figura 15.5 Curva granulométrica do material granular Tabela 15.4 Classificação do material granular Fração Divisão Tamanho dos grãos Percentagem Pedregulho fino 2,0 D < 6,0 mm 8,0 Areia grossa 0,6 D < 2,0 32,0 média 0,2 D < 0,6 39,0 fina 0,06 D < 0,2 21,0 D 60 = 0,60 mm D 30 = 0,26 mm D 10 = 0,13 mm C U = 4,6 C C = 0,9 Classificação: Granulométrica: areia média e grossa com pedregulhos finos Unificada: SP areia mal graduada exemplo 2: granulometria conjunta Tabela 15.5 Resultado do ensaio de granulometria conjunta Identificação: Campus USP São Carlos Areia argilosa superficial : 0,5m Teor de umidade Operador: Zé Luiz Amostra Data: reduzida g Cápsula P13 P24 P59 Início: M + M c g 38,28 32,83 36,80 M o 117,23 M s + M c 37,84 32,37 36,26 M s 114,93 M c 13,64 10,70 9,38 M s ( 2,0) 7,47 M w 0,44 0,46 0,54 Após: M s 24,20 21,67 26,88 M s( 0,075) 63,67 w % 1,8 2,1 2,0 M s ( 0,075) 43,79 w (médio) 2,0 M s 114,93 s (< 2,000) = 2,726 g/cm 3 Peneiramento Pedregulho Areia # M s P r (# ) P r (# ) P p (# ) # M s P r (# ) P r (# ) P p (# ) 4 0,00 0,0 0,0 100,0 16 3,95 3,4 9,9 90,1 6 2,87 2,5 2,5 97,5 30 7,47 6,5 16,4 83,6 8 2,76 2,4 4,9 95, ,14 10,6 27,0 73,0 10 1,84 1,6 6,5 93, ,33 20,3 47,3 52,7 M s 7,47 6,5 = = ,78 14,6 61,9 38,1 M

50 50 Prato 107,46 93,5 = = Prato 43,79 38,1 100,0 = Sedimentação Densímetro: 151H (ASTM) c(m) = + 0,5 Defloculante: Hexametafosfato de sódio: 125 cm 3 da solução Observação: após o ensaio a massa de sólidos que passou na # 200 não foi determinada h : min t T l D l sol l - l sol P(< D ) 8 : ,81 32,6 0,036 4,4 30,9 38,7 4 31,7 0,018 30,4 37, ,8 0, ,4 36,3 9 : ,7 0, ,1 34,7 12 : ,58 28,3 0,0025 4,1 26,9 33,2 16 : ,36 26,6 0,0018 4,0 25,6 31,1 A Figura 15.6 mostra a curva granulométrica do solo. Figura 15.6 Curva granulométrica de solo: Campus 1, USP Na Tabela 15.6 estão mostradas as percentagens de cada fração e a classificação granulométrica do solo. Tabela 15.6 Classificação granulométrica do solo do Campus 1 Fração Intervalo de tamanho dos sólidos mm Percentagem de Total Subdivisões ocorrência pedregulho 2,0 D < 60,0 grosso 20,0 D < 60,0 = médio 6,0 D < 20,0 = fino 2,0 D < 6,0 6,5 areia 0,06 D < 2,0 grossa 0,6 D < 2,0 9,9 média 0,2 D < 0,6 22,6 fina 0,06 D < 0,2 24,0 silte 0,002 D < 0,06 = = 9,0 argila < 0,002 = = 29,0 Classificação: areia fina e média argilosa com pedregulhos finos

51 51 LIMITES DE CONSISTÊNCIA Os limites de consistência são usados para separar os estados de consistência de um solo fino ou da fração fina de um solo grosso, através de um teor de umidade limite entre dois estados. Assim, o limite de liquidez é o teor de umidade limite entre o estado de consistência líquido e o plástico, enquanto o limite de plasticidade e o de contração separa o estado de consistência plástico do semisólido e, o estado de consistência semi-sólido do sólido, respectivamente; cada um deles apresenta uma interpretação física bem definida. A determinação do valor de cada um desses teores de umidade limites é através de um ensaio de laboratório próprio cujos procedimentos se encontram padronizados no Brasil pela Associação Brasileira de Normas Técnicas através dos métodos de ensaio NBR-6459, 7180 e Desses três limites o de liquidez e o de plasticidade são os mais usados, tanto na definição do intervalo de teor de umidade no qual o solo se encontra no estado plástico, quanto em sistemas de classificação dos solos. Esses limites também são conhecidos como limites de Atterberg em homenagem ao engenheiro sueco que propôs a utilização desses parâmetros na cerâmica. Posteriormente, A. Casagrande, nas décadas de 1930 e 1950, modificou o procedimento inicial dos ensaios para o atual e padronizou o equipamento atualmente usado na determinação do limite de liquidez PREPARAÇÃO DA AMOSTRA A amostra reduzida obtida segundo o procedimento descrito em 11.2, tem uma continuidade na sua preparação, específica dos ensaios de limites de consistência e, não depende do processo inicial de obtenção da amostra reduzida. O processo se inicia com uma separação dos sólidos da amostra reduzida em duas porções, usando a peneira de abertura 0,42 mm, (#40); a parte que passa na peneira é a usada nos ensaios de limites de consistência. Se a amostra está com uma umidade mais alta não permitindo a passagem dos sólidos pela malha, individualmente ou em torrões, essa operação deve ser feita por extrusão cuidando para que os grãos maiores que a abertura da peneira não sejam forçados a passar por ela. Para qualquer um dos processos usados, peneiramento ou extrusão, os grãos retidos na malha da peneira são lavados, com água destilada, para a retirada dos sólidos a eles aderido. A suspensão é recolhida, em uma vasilha e deixada em local à sombra até que a água em excesso tenha se evaporado. As duas porções são juntadas, e, em seguida, a amostra resultante é homogeneizada quanto a umidade e,deixada em repouso por algumas horas. A pasta formada está quase pronta para ser usada nos ensaios de limites de consistência que são realizados nesta ordem: limite de liquidez, limite de plasticidade e limite de contração LIMITE DE LIQUIDEZ O limite de liquidez pode ser determinado com o aparelho Casagrande ou com o cone de penetração Ensaio Casagrande Na Figura 16.1 está mostrado o equipamento usado no ensaio de limite de liquidez; uma descrição detalhada do aparelho Casagrande está descrita no Apêndice E, bem como, as condições de uso do aparelho. A descrição em itens, cada um deles sendo uma parte distinta do ensaio, facilita a compreensão e mostra um roteiro de como proceder: verificação das condições do aparelho, preparação final da pasta, colocação da pasta na concha, ensaio propriamente dito, gráfico de fluência e resultado do ensaio. verificação das condições do aparelho Casagrande Antes do início do ensaio algumas características do aparelho, são verificadas e, o procedimento a ser seguido está descrito no Apêndice E.

52 52 Figura 16.1 Equipamento usado no ensaio Casagrande preparação final da pasta O acerto final da umidade da pasta depende do modo preferido para a realização do ensaio: partindo de uma amostra com a umidade mais baixa e acrescentando água destilada a cada ponto ou o procedimento inverso, também, correto porém mais demorado; é preciso evitar a variação da umidade ao acaso de um ponto para o outro. Para o ensaio iniciado com uma amostra mais seca a umidade da pasta não deve exigir mais de 40 golpes da concha para o fechamento da ranhura e para o processo inverso a ranhura deve estar fechada com um número de golpes em torno de 10. A secagem é feita revolvendo a pasta com uma espátula sobre a placa de vidro,enquanto que o umedecimento é feito acrescentando água destilada; em ambos os casos no final do processo a pasta deve estar homogênea com relação a umidade e, a amostra pronta para que o ensaio seja iniciado. colocação da pasta e abertura da ranhura Uma parte da amostra é colocada na concha do aparelho Casagrande, no ponto onde ela toca a base e, em seguida,espalhada usando uma espátula flexível formando uma superfície, aproximadamente, horizontal e, com uma espessura máxima de 10 mm, Figura 16.2, à esquerda. Durante a distribuição da pasta deve ser evitada a formação de bolhas de ar no interior da massa de solo. Com o cinzel mostrado na Figura 16.1 abrir uma ranhura no solo, ao longo de um plano normal ao sistema de fixação, de tal forma, que as partes separadas tenham massas, aproximadamente, iguais. Durante a abertura da ranhura o cinzel deve permanecer normal a superfície da concha, como mostrado na Figura Figura16.2 Colocação da pasta e abertura da ranhura A colocação da pasta pode ser feita com a concha suportada em uma das mãos ou com ela já fixada ao aparelho. Se realizada com a primeira opção ao fixá-la no aparelho deve-se tomar cuidado para que não aconteçam choques e fique bem presa à base. Se a segunda opção for a escolhida realizar

53 as operações com cuidado para se evitar qualquer problema com o pino de fixação; com qualquer uma das opções o tempo gasto nessas operações não poderá ser muito grande. ensaio Com a concha presa no sistema de fixação girar a manivela, à razão de 2 voltas por segundo, e contar os golpes dados para que o solo, na base dos taludes se encontre, em uma distância igual a 13 mm; nesse momento o ensaio é interrompido e, do local onde ocorreu a união das bordas é retirada uma porção de solo para a determinação do teor de umidade. A Figura 16.3 mostra de modo esquemático as três condições da amostra na concha: à esquerda, após ter sido colocada, no centro com a ranhura aberta e à direita, no final do ensaio. 53 Figura 16.3 Três fases do ensaio Do local onde as bordas se uniram, delimitado pela círcunferência mostrada na Figura 16.3, retirar uma amostra do solo, com massa mínima de 20 g, para a determinação do teor de umidade; um primeiro par de valores, teor de umidade-número de golpes,foi obtido. O número de golpes necessários ao fechamento da ranhura, no primeiro ponto do ensaio, deverá estar próximo a 40, se o ensaio estiver sendo conduzido de um teor de umidade mais baixo para um mais alto, e próximo a 10 se a condução do ensaio for no sentido inverso. O solo restante na concha é transferido para uma cápsula de porcelana e misturado com a parte da amostra não usada e, homogeneizado a umidade. A concha é limpada e secada para ser usada na determinação do segundo par de valores. Para a continuidade do ensaio é adicionada água destilada, em quantidade suficiente para se alcançar o teor de umidade programado com a amostra sendo novamente homogeneizada; se o ensaio está sendo realizado com umidade decrescente a amostra é revolvida, sobre uma placa de vidro, o tempo suficiente para perder água e se atingir uma umidade, próxima a programada para o segundo ponto. As operações descritas são repetidas, até que, um mínimo de 5 pares é obtido. O número de golpes deverá estar uniformemente, distribuído no intervalo de 10 a 40, recomendando-se que 2 estejam abaixo e 2 acima de 25 golpes. gráfico de fluência Para cada ponto é calculado o teor de umidade do solo; os pares de valores obtidos são plotados em um gráfico, onde em abscissas estão representados os números de golpes, em escala logarítmica e, nas ordenadas os teores de umidade. Finalmente, é traçada a reta que melhor se ajusta aos pontos, mostrada na Figura 16.4; esse ajuste pode ser apenas, visual ou através do método dos mínimos quadrados. O limite de liquidez é o teor de umidade para 25 golpes, retirado do gráfico de fluência e o resultado obtido levado ao inteiro mais próximo e apresentado como um valor percentual Ensaio do cone verificação das condições do penetrômetro As verificações que devem ser feitas estão descritas no Apêndice E.

54 54 Figura 16.4 Gráfico de fluência preparação final da amostra O acerto da umidade inicial da pasta é semelhante àquele exigido para o ensaio com o aparelho Casagrande; a umidade inicial da pasta deve permitir uma penetração em torno de 15 mm se o ensaio tiver sido programado para umidades crescentes ou 25 mm para umidades decrescentes. colocação da pasta na cápsula A colocação da pasta na cápsula deve seguir um ritual que minimize a formação de bolhas de ar no interior da amostra; para isso, iniciar com a colocação de uma fina camada de solo sobre a lateral e o fundo da cápsula e, em seguida, preencher o centro distribuindo a pasta de modo uniforme, usando uma espátula flexível até que se tenha um pequeno excesso de solo sobre a cápsula. Com uma régua metálica retirar o excesso deixando uma superfície lisa e plana. Durante o processo de colocação da pasta na cápsula uma leve pressão sobre o solo pode ser exercida. ensaio A cápsula é colocada na base do penetrômetro e, o cone abaixado lentamente, até que sua ponta toque o topo da amostra, como mostrado na Figura 16.5, à esquerda. Figura 16.5 Condição inicial e final do penetrômetro Com o cone nessa posição é feita uma leitura no relógio comparador, que precisa ter uma resolução de 0,1 mm, que é a leitura inicial do ensaio. Em seguida, o sistema de bloqueio do cone é liberado permitindo a penetração na pasta durante 5 segundos; decorrido esse tempo o sistema de bloqueio é acionado parando a penetração e, é feita a leitura final, como mostrado na Figura 16.5, à direita. A diferença entre as leituras, inicial e final, mede a penetração do cone na pasta, com um dado teor de umidade.

55 Em seguida, o cone é retirado e a sua superfície limpada; no localonde ocorreu a penetração e a formação de uma pequena cratera é colocada uma porção do solo excedente e a superfície é novamente deixada plana. Seguindo o procedimento anterior é feita uma outra medida da penetração inicial e final na pasta. A leitura inicial e a final, em cada penetração é simbolizada por R o e R f, respectivamente; a diferença entre elas é simbolizada por R, com um subscrito que indica a primeira, segunda ou terceira medição da penetração do cone na pasta, com uma dada umidade, R 1 = [R o - R f ] 1, R 2 = [R o - R f ] 2. Se [R 1 R 2 ], em módulo, é menor que 0,5 mm o resultado é aceito e o ensaio é interrompido. Se 0,5 [R 1 R 2 ] 1,0 mm uma terceira determinação é feita obtendo-se um R 3 = [R o - R f ] 3 e se as três diferenças possíveis estão dentro do intervalo o resultado é aceito e o ensaio interrompido. Uma porção do solo é retirada, do local de penetração no solo, para a determinação do teor de umidade da pasta. Se uma das diferenças calculadas for maior que 1,0 mm as medidas são desprezadas e o ensaio é, novamente, realizado. Para a continuidade do ensaio o solo é retirado da cápsula e juntado àquela parte não usada e homogeneizado. Em seguida, é adicionada uma quantidade de água destilada, homogeneizada a umidade e, com a pasta apresentando uma consistência mais mole que a anterior. A cápsula, depois de cada determinação, é limpada, secada e o procedimento anterior é repetido até a obtenção de pelo menos quatro pares de valores. As distancias de penetração devem estar dentro do intervalo de 15 a 25 mm. Durante o ensaio a parte da amostra que não está sendo usada deve ser protegida para se evitar a perda de umidade do solo e o controle do intervalo de tempo de penetração deve ser realizado com muito rigor evitando-se, também, que o penetrômetro sofra qualquer vibração durante a realização do ensaio. gráfico: teor de umidade distância média de penetração Com os valores obtidos da distancia de penetração, em cada determinação, é calculada a distância média de penetração, L c, na amostra de solo, com um dado teor de umidade. Na Tabela 16.1 está mostrado o modo de cálculo da distância média, L c, para dois ou três valores das distancias de penetração. Os pares de valores, teor de umidade distância média de penetração, são plotados em um gráfico, com escalas naturais, com o teor de umidade nas abscissas e, as distâncias de penetração nas ordenadas, como mostrado na Figura Tabela 16.1 Distância média de penetração 55 resultado n R 1 R 2 L c 2 < 0,5 mm 0,5 (R 1 + R 2 ) 3 0,5 R i R j 1,0 (R 1 + R 2 + R 3 ) / 3 (R i R j ) > 1,0 Desprezado Pelos pontos colocados no gráfico traçar a reta que melhor se ajuste; esse traçado pode ser, apenas, visual, ou através do método dos mínimos quadrados. O limite de liquidez é o teor de umidade retirado do gráfico para uma penetração média de 20 mm e, o valor. encontrado é levado ao inteiro mais próximo. Na Tabela 16.2 estão mostrados os valores dos limites de liquidez de Casagrande e com o cone de penetração, obtidos por Peixoto (1.995).

56 56 Figura 16.6 Distância média de penetração teor de umidade Tabela 16.2 Limite de liquidez: Casagrande e cone amostra w casa w cone amostra w casa w cone amostra w casa w cone 1 0,298 0, ,245 0, ,292 0, ,445 0, ,582 0, ,306 0, ,391 0, ,427 0, ,329 0, ,378 0, ,730 0, ,555 0, ,585 0, ,644 0, ,467 0, ,709 0, ,329 0, ,452 0, ,489 0, ,409 0, ,492 0,545 A Figura 16.7 mostra o diagrama de dispersão dos pontos, e uma observação visual indica que há uma correlação linear positiva entre eles. O coeficiente de correlação r = 0,994 mostra que há uma forte correlação entre os valores dos limites de liquidez, obtidos em cada um dos ensaios. A equação de regressão foi obtida com o método dos mínimos quadrados admitindo o limite de liquidez de Casagrande como a variável independente e, a equação resultante é igual a, w Lcone = 6,71 + 0,973 w Lcasa válida para valores do limite de liquidez de Casagrande entre 24% e 73%. O coeficiente de determinação da equação é igual a r 2 = 0,988 e, a reta ajustada aos pontos consegue explicar mais de 98% do desvio total. Figura 16.7 Correlação entre valores do cone e Casagrande e reta de regressão

57 Ensaio com ponto único Uma estimativa do valor do limite de liquidez pode ser obtida com um único ponto, no aparelho Casagrande, desde que, o número de golpes esteja entre 20 e 30 e o valor do teor de umidade seja menor que 120%. No trabalho de Norman (1.959) estão apresentados resultados obtidos por diversos autores e a equação proposta por ele para o cálculo do limite de liquidez, com ponto único, é [16.1] onde w e N são os valores obtidos para o ponto e que devem estar dentro das condições propostas. A norma americana, D-4318, da ASTM sugere o uso da equação, para N entre 20 e 30 golpes do ensaio Casagrande. O valor do limite de liquidez é, apenas, estimativo e, sempre que necessário deve ser confirmado com o ensaio completo LIMITE DE PLASTICIDADE Na Figura 9.21 estão mostrados os elementos de uso específico do ensaio; além deles, é preciso ter disponíveis cápsulas pequenas de alumínio e água destilada. O ensaio será descrito separando-o nas etapas: amostra, ensaio e resultado. amostra A amostra usada no ensaio é uma parte da pasta preparada para o ensaio de limite de liquidez. Dependendo da umidade inicial da pasta é preciso acrescentar água destilada ou revolver a pasta sobre a placa de vidro com uma espátula para aumentar ou reduzir a umidade, respectivamente. Nos dois casos,no final da preparação a pasta deve estar homogênea, com uma umidade mais baixa que a do limite de liquidez,mas,ainda comum comportamento plástico. ensaio Com cerca de 10 g dessa pasta fazer uma bola e, em seguida,colocá-la sobre a face esmerilhada da placa de vidro; com a parte lisa da mão sobre ela é iniciada a rolagem da amostra, Figura 16.8 à esquerda, até transformá-la em um cilindro, com o diâmetro do cilindro padrão, Figura 16.8 à direita; deve-se evitar a aplicação de uma pressão que possa amassar o cilindro de solo em vez de rolá-lo. Figura 16.8 Ensaio do limite de plasticidade Durante a rolagem a amostra vai perdendo água e, com isso, a umidade vai se aproximando do limite de plasticidade, mudando o comportamento do solo, de plástico para semi-sólido. Essa mudança pode ser verificada pelo operador observando o diâmetro e a superfície do cilindro; quando as duas condições, amostra com diâmetro de 3 mm (comparar com o gabarito, se necessário) e aparecimento de fissuras na superfície do cilindro, forem obtidas, simultaneamente, o solo está passando do estado plástico para o semi-sólido. Nesse momento o ensaio é interrompido e as partes fissuradas da amostra são recolhidas para a determinação do teor de umidade. A amostra recolhida tem uma massa pequena e, por isso, a pesagem da cápsula deve ser imediata e com toda a atenção.

58 As operações descritas para a primeira determinação do teor de umidade são repetidas, pelo menos, mais quatro vezes. Se as fissuras aparecerem quando o cilindro está com um diâmetro maior que 3 mm a umidade da amostra é menor que o limite de plasticidade e o solo já se encontra no estado semi-sólido; para continuar o ensaio é preciso acrescentar água destilada, homogeneizar a pasta e repetir o procedimento descrito Se o cilindro atinge um diâmetro menor que 3 mm, sem o aparecimento de fissuras, a umidade do solo está maior que o limite de plasticidade e o solo ainda está no estado plástico; com uma espátula a pasta é revolvida na placa de vidro para perder água até que ela esteja em condição própria para o ensaio. resultado Com o teor de umidade de cada determinação é calculada a média aritmética desses valores e, o desvio aceitável de ± 5% da média; os valores do teor de umidade que estiverem fora do intervalo de aceitação serão desprezados e uma nova média é calculada com os valores restantes e o desvio aceitável. A média de, pelo menos, três determinações; cujos valores estão dentro do intervalo de aceitação, define o limite de plasticidade do solo cujo valor é levado ao inteiro mais próximo da média e, é apresentado em percentagem LIMITE DE CONTRAÇÃO Na Figura 9.22 estão mostrados os elementos de uso específico neste ensaio; alguns elementos de uso geral como, cápsulas de alumínio, água destilada e mercúrio são, também, necessários no ensaio. A descrição do ensaio será feita por etapas: preparação final da amostra reduzida, ensaio propriamente dito e resultado. preparação final da amostra reduzida Uma parte da amostra reduzida preparada para o ensaio de limite de liquidez é colocada em uma cápsula de porcelana e homogeneizada; uma porção é retirada para a determinação do teor de umidade inicial, w o, usando forno microondas ou a estufa elétrica, se houver disponibilidade de tempo para isso. A massa, M o, da amostra que restou na cápsula é determinada em balança apropriada e calculada a massa de sólidos, M s. O teor de umidade de moldagem, w m, do corpo de prova, é retirado do gráfico de fluência para um número de golpes igual a 10, o que significa que a amostra está no estado de consistência líquido. O cálculo da massa de água destilada a ser acrescentada à amostra, para passar do teor de umidade inicial para o de moldagem, está mostrado na Figura Em seguida, a amostra é homogeneizada e, ao final, está pronta para ser usada no ensaio. ensaio Uma porção de solo é retirada da amostra e secada no forno microondas para uma confirmação do teor de umidade de moldagem da amostra. Se o teor de umidade obtido é, aproximadamente, igual ao de moldagem três novas porções de solo são retiradas para a determinação do teor de umidade secando-as na estufa elétrica. O volume interno da cápsula de moldagem, que define o volume inicial do corpo de prova, precisa ser obtido através de um processo indireto: para isso, preencher a cápsula com mercúrio até a formação de um menisco convexo que é depois retirado. Em seguida, é realizada a pesagem do conjunto cápsula e mercúrio, M Hg + M c ; conhecida a tara da cápsula, M c, resulta a massa de mercúrio que preenche todo o seu volume. 58

59 59 M o w o M s w m M s = M o / (1 + w o ) M m = M s (1 + w m ) Δ M w = M wm M wo = M m M o = M s (w m w o ) = M s Δw Δ V w = Δ M w ρ w = M s Δw ρ w Figura 16.9 Esquema para o cálculo do volume de água a acrescentar O interior da cápsula de moldagem é untado para impedir a aderência da pasta à parede. Uma quantidade da pasta, aproximadamente igual a um terço do volume da cápsula, é colocada no centro dela e com batidas da cápsula sobre uma superfície dura a pasta vai sendo espalhada e o ar, contido em seu interior, vai sendo retirado. Durante o processo de enchimento da cápsula com a pasta bolhas de ar aparecem na superfície da amostra e, quando isso não mais acontecer a amostra é considerada sem ar e, portanto, saturada. Uma nova porção vai sendo colocada e repetido o processo de retirada do ar até que o volume da cápsula tenha sido completado com alguma sobra acima dela. O excesso de solo é retirado para que o volume inicial da amostra possa ser considerado igual ao da cápsula, Figura 16.10, à esquerda; a massa do conjunto amostra-cápsula, M o + M c, é então determinada. Deixar a cápsula em lugar ventilado e à sombra, para que o solo perca água lentamente, permanecendo aí até que ocorra uma mudança sensível na cor do solo; durante esse tempo a amostra vai sofrendo uma redução de volume, mas, sem apresentar fissuras. O teor de umidade do solo, nesse momento, já está abaixo do limite de contração e a amostra pode ter a secagem acelerada, sem redução volumétrica, com a colocação na estufa, lá permanecendo até atingir massa constante que é obtida com a pesagem da pastilha (solo seco), M s. Na Figura 16.10, à esquerda, está mostrado o corpo de prova moldado e, à direita, está mostrada a pastilha depois da secagem. Figura Corpo de prova na condição inicial e após secagem A determinação do volume, V f, da pastilha é através de um processo indireto: o recipiente de imersão, mostrado na Figura 9.22, é colocado dentro da cápsula de porcelana e, seu volume completado com mercúrio que forma um menisco convexo; o excesso de mercúrio precisa ser retirado e, para isto é introduzido os três pinos da placa mostrada na Figura Em seguida, a pastilha é colocada sobre o mercúrio e forçada a nele penetrar com a ajuda da placa de três pinos, Figura 16.11; um volume de mercúrio, igual ao da pastilha, é derramado na cápsula de porcelana e, sua massa, M Hg, é determinada com uma pesagem.

60 60 Figura Determinação do volume da pastilha resultado O volume do mercúrio derramado, igual ao da pastilha, é calculado dividindo a massa obtida na pesagem por sua massa específica. O limite de contração é calculado com a equação ou com a equação [16.2] ( ) [16.3] mas, nesse caso o valor do limite de contração é dependente da massa especifica dos sólidos obtida em outro ensaio e, que pode trazer erro em seu valor; por isso, é sempre preferível calcular o limite de contração com a equação [16.2]; no Apêndice F estão demonstradas as duas equações anteriores. O valor do teor de umidade de moldagem, w m, é calculado com ensaio próprio ou com os valores medidos da massa inicial do corpo de prova e, a da pastilha. [16.4] O valor obtido para o limite de contração é levado ao inteiro mais próximo e indicado em percentagem. Como o mercúrio é um material tóxico o tempo de uso deve ser rápido todo cuidado deve ser tomado ao ser manuseado ÍNDICE DE PLASTICIDADE O índice de plasticidade, calculado como a diferença entre os limites de liquidez e de plasticidade, I P = w L - w P [16.5] indica o intervalo de variação do teor de umidade no qual o solo se encontra no estado plástico. Sempre que o índice de plasticidade não puder ser calculado por não se conseguir determinar o limite de liquidez ou o limite de plasticidade, o solo deverá ser classificado como não plástico, NP EXEMPLOS exemplo 1 Uma amostra retirada em um dos bairros de São Carlos, SP, apresentou a seguinte composição granulométrica: Areia : 23 % Argila: 49 % P (< 0,42) : 97 % Silte : 28 %. A massa específica dos sólidos, determinada através do ensaio próprio é igual a 2,794 g/cm 3. O teor de umidade da amostra reduzida, que passa na # 40, é de 25,3% e foi armazenada em condição apropriada para não perder água, pois, será usada nos ensaios de limites de consistência. O limite de liquidez foi obtido de dois modos: com o aparelho Casagrande e com o cone de penetração.

61 61 limite de liquidez: aparelho Casagrande Na Tabela 16.3 estão mostrados os valores medidos e os calculados no ensaio de limite de liquidez. Tabela 16.3 Limite de liquidez com o aparelho Casagrande argila silto-arenosa São Carlos s = 2,794 g/cm cápsula n o P10 P12 P14 P16 P18 P20 M + M c 24,32 24,78 27,48 26,07 25,07 25,94 M s + M c 19,99 20,04 22,81 21,72 20,40 21,53 M c g 11,88 10,89 13,67 12,94 10,84 12,12 M w 4,33 4,74 4,67 4,35 4,67 4,41 M s 8,11 9,15 9,14 8,78 9,56 9,41 w % 53,4 51,8 51,1 49,5 48,8 46,9 N Aos pares de valores, teor de umidade e logaritmo do número de golpes N, foi ajustada a reta de regressão, com o método dos mínimos quadrados, resultando a equação w = 69,15 14,08 log N, traçada na Figura 16.12; o teor de umidade para o número de golpes igual a 25 representa o limite de liquidez do solo e, igual a 49,4%, que levado ao inteiro mais próximo, é igual a w L = 49%. Figura Gráfico de fluência da argila silto-arenosa cone de penetração Na Tabela 16.4 estão mostrados os valores obtidos da penetração do cone para cada teor de umidade. Tabela 16.4 Limite de liquidez com o cone Leitura no relógio comparador Par Leitura 1 o 2 o 3 o 4 o 5 o 6 o 1 o R o 0,05 0,10 0,08 0,30 0,25-0,10 R f 15,48 16,58 19,22 20,95 23,04 24,65 2 o R o 0,00 0,15 0,22 0,00 0,15-0,15 R f 15,82 16,35 18,98 20,12 22,55 24,33 3 o R o = = = 0,00 = = R f = = = 20,55 = = Distância de penetração mm 1 o R 1 = R o R f 15,43 16,48 19,14 20,65 22,79 24,75 2 o R 2 = R o R f 15,82 16,20 18,76 20,12 22,40 24,48 R 1 - R 2 0,39 0,28 0,38 0,53 0,39 0,27 3 o R 3 = R o R f = = = 20,55 = = L c 15,6 16,3 19,0 20,4 22,6 24,6

62 62 Teor de umidade cápsula n o P51 P53 P55 P57 P59 P61 M + M c 24,84 30,01 35,89 31,51 24,30 31,64 M s + M c 20,51 24,51 27,95 24,00 19,01 24,66 M c g 11,42 13,26 12,22 9,67 9,18 12,03 M w 4,33 5,50 7,94 7,51 5,29 6,98 M s 9,09 11,25 15,73 14,23 9,83 12,63 w % 47,6 48,9 50,5 52,4 53,8 55,3 Na quarta determinação a primeira diferença foi maior que 0,50 mm e uma terceiro par de leituras foi feita e a distancia de penetração é a média das três diferenças. Com os valores da distância de penetração e dos teores de umidade foi ajustada uma reta com o método dos mínimos quadrados resultando a equação w = 34,95 + 0,8335 L c, traçada na Figura 16.13; o teor de umidade para uma penetração de 20 mm representa o limite de liquidez do solo e, igual a 51,6% e, levado ao inteiro mais próximo fica igual a 52%. Figura Gráfico de penetração do cone na argila silto-arenosa limite de plasticidade Na Tabela 16.5 estão mostrados os valores medidos e os calculados no ensaio. Tabela 16.5 Limite de plasticidade cápsula n o P96 P118 P121 P180 P181 P195 M + M c g 11,30 12,34 11,69 13,29 12,47 12,03 M s + M c 11,15 12,11 11,48 13,15 12,23 11,82 M c 10,52 11,14 10,64 12,58 11,32 10,94 M w 0,15 0,23 0,21 0,14 0,24 0,21 M s 0,63 0,97 0,84 0,57 0,91 0,88 w % 23,8 23,7 25,0 24,6 26,4 23,9 Criterio de aceitação do valor médio w P n o w P 0,95 w P 1,05 w P desprezar 6 147,4 24,6 23,4 25,8 26, ,0 24,2 23,0 25,4 = O valor do limite de plasticidade é 24%. limite de contração O teor de umidade recomendado para a preparação da pasta é o retirado do gráfico de fluência para 10 golpes da concha e, portanto, igual a 55%. A amostra reduzida preparada para a realização dos ensaios de limites de consistência está com um teor de umidade igual a 25,3%; para mudar o teor de umidade inicial para o de moldagem do corpo de prova, igual a w m = 55,0%, é preciso acrescentar água e o roteiro para o cálculo desse volume está mostrado na Figura

63 63 ensaio. Na Tabela 16.6 estão mostrados os valores, medidos e calculados, nas diversas etapas do Tabela 16.6 Limite de contração Volume da cápsula de moldagem M Hg + M c 195,31 g M Hg 174,12 g ρ Hg 12,550 g/cm 3 M c 21,19 g V c 12,85 cm 3 Preparação da amostra M o 125,42 g w m 55,0 % w o 25,3 % M s 100,10 g M s 100,10 g M m 155,16 g ΔM w = M m - M o = 55,06 g ΔV w = 55,06 cm 3 Teor de umidade de moldagem Cápsula n o P76 P78 P80 M + M c 41,33 44,60 45,65 M s + M c 30,60 32,92 33,28 M c g 11,02 11,80 10,66 M w 10,73 11,68 12,37 M s 19,58 21,12 22,62 w % 54,8 55,3 54,7 Limite de contração- Medidas antes depois w m % 54,9 M s + M c 36,28 M + M c g 44,17 M s g 14,29 M 22,18 M Hg 89,98 V o cm 3 12,85 V f cm 3 7,17 Limite de contração Equação 16.2: w s = 15 % Na Figura estão mostrados os valores medidos no ensaio, nas duas condições : moldagem e final, após secagem em estufa do corpo de prova. Figura Valores medidos no ensaio do limite de contração resultados Os valores obtidos dos limites de consistência estão mostrados na Tabela As equações das retas, do gráfico de fluência e do cone de penetração, foram obtidas com o método dos mínimos quadrados resultando: Casagrande : w = 0,691 0,140 log N Cone : w = 0, , L c. O solo usado foi classificado segundo o sistema granulométrico e o unificado, resultando: granulométrico argila silto-arenosa

64 64 unificado CL argila pouco plástica com areia. Tabela 16.7 Resultado dos ensaios de limites de consistência Ensaio Valor Ensaio Valor Limite de liquidez: Limite de plasticidade 24 Casagrande 49 Limite de contração 15 Cone 52 Índice de plasticidade 25

65 65 COMPACTAÇÃO O resultado do ensaio de compactação mostra a variação da massa específica seca com o teor de umidade, para uma dada energia de compactação, aplicada ao solo através de um processo dinâmico; a curva de compactação resultante tem um único ponto de ordenada máxima, cujas coordenadas, teor de umidade ótimo - massa específica seca máxima, são características reprodutíveis desse solo, para as mesmas condições de ensaio. Na mesma figura onde é desenhada a curva de compactação são, também, apresentadas algumas curvas de igual grau de saturação, preferencialmente, aquelas que passam próximo do ponto de máximo dessa curva. Há duas maneiras de se proceder a realização do ensaio: a primeira, partindo-se de uma amostra reduzida única e reusando-a em cada novo ponto, procedimento esse que dá ao ensaio o nome de compactação com reuso da amostra. A segunda maneira é preparando amostras reduzidas, em número igual ao de pontos desejados e, realizando o ensaio usando sempre uma das amostras reduzidas; com esse procedimento é dado ao ensaio o nome de compactação sem reuso da amostra. Sempre que possível o segundo procedimento deve ser o preferido. A descrição do ensaio está apresentada separando-a nos itens: verificação do equipamento, preparação final da amostra reduzida, ensaio e, resultado VERIFICAÇÃO DO EQUIPAMENTO No Apêndice F há uma descrição completa dos elementos que formam o equipamento do ensaio Proctor Normal, mostrado na Figura 17.1, de acordo com a padronização da norma brasileira. Figura 17.1 Equipamento para o ensaio Proctor Normal Escolhido o equipamento necessário é preciso verificar se o volume e a massa do cilindro e, se a altura de queda e a massa do martelo estão dentro dos valores admitidos na norma brasileira, NBR O volume do cilindro é calculado com os valores médios da altura e do diâmetro interno obtidos com, um mínimo de, três medições feitas com um paquímetro, com resolução de 0,1 mm. A altura de queda do martelo, indicada com a letra H na Figura 17.2, é obtida com medições feitas com uma régua metálica, com resolução de 1 mm. A massa do martelo, igual à soma da massa da sapata, da haste, da manopla e da arruela de borracha e, a do cilindro deve ser obtida com pesagem realizada em balança, com resolução de 1 g; nesta mesma balança, também, deverá ser obtida a do cilindro e do corpo de prova compactado, de cada ponto do ensaio. Na Figura 17.2 estão mostradas, separadamente e em cortes longitudinais, as várias partes do equipamento de compactação. Verificar se o soquete (guia + martelo) está em boas condições permitindo a queda livre do martelo.

66 No Apêndice F estão descritas outras verificações dos elementos componentes do equipamento. 66 Figura 17.2 As várias partes do equipamento 17.2 PREPARAÇÃO DA AMOSTRA A amostra representativa será secada à sombra somente quando a sua umidade for maior que o menor teor de umidade programado para o ensaio; caso contrário, a amostra não deve ser secada. O procedimento de preparação da amostra reduzida é o mesmo quer a amostra representativa tenha tido uma secagem prévia ou não. O solo é, inicialmente, passado na peneira 4 para a retirada dos grãos maiores que 4,8 mm; com uma escova limpar a malha da peneira para a retirada de finos que poderão ficar presos na malha. Como o volume de solo, da amostra representativa, necessário para o ensaio sem reuso é grande a amostra é colocada sobre uma manta plástica, homogeneizada e juntada para a formação de um tronco de cone. Ao longo da superfície do tronco de cone são retiradas as amostras programadas para a realização do ensaio; é conveniente que, pelo menos, uma amostra extra seja retirada para uma eventual repetição ou introdução de novo ponto no gráfico. Cada amostra é colocada em saco plástico identificado, numerado e, fechado para evitar perda de umidade. A massa, M o, de cada amostra deve estar em torno de 2,2 kg. Durante a retirada das amostras são separadas três porções para a determinação do teor de umidade com o forno microondas e, três outras para secagem na estufa elétrica padrão. A média das três determinações é admitida como o teor de umidade inicial das amostras, onde w o (FMO) é uma estimativa do w o (EEP) que estará disponível apenas no dia seguinte. A amostra 1, programada para ser compactada com o menor teor de umidade, w 1, do ensaio tem massa conhecida igual a M o1 e teor de umidade w o (FMO) e, portanto, a massa de sólidos é igual a M s1 = M o1 / [1 + w o (FMO)]. A massa da amostra 1, com o teor de umidade programado, w 1, é igual a M 1 = M s1 (1 + w 1 ) e, o volume de água a ser acrescentado à amostra é igual a, M w1 = V w1 = M s1 [w 1 - w o (FMO)]. Acrescentado o volume de água a amostra é homogeneizada e retornada ao saco plástico. O procedimento descrito para a amostra 1 será aplicado as demais amostras menos para a extra reservada para repetição ou acréscimo de ponto da curva. As amostras serão deixadas na câmara úmida para serem ensaiadas no dia seguinte. Para o ensaio com reuso da amostra o procedimento de preparação é o mesmo até a passagem do solo na peneira 4. Com um volume pequeno de solo a homogeneização é feita em uma bandeja e depois separadas duas amostras, uma para a realização do ensaio e a outra para a repetição, caso necessário; a massa de cada uma deve estar, em torno, de 3 kg. A amostra a ser usada no ensaio é deixada com o teor de umidade inicial e levada para a câmara úmida onde ficará ate o dia seguinte. O

67 controle do teor de umidade do segundo corpo de prova em diante é difícil de ser controlado, pois, a massa de sólidos não permanece constante ENSAIO Sem reuso As três cápsulas, com as porções de solo retiradas no dia anterior e colocadas na estufa elétrica padrão para secagem, são removidas e deixadas resfriar em um dessecador e, depois pesadas para o cálculo do teor de umidade, w o (EEP); comparar esse valor com o obtido com a secagem do solo no forno microondas, w o (FMO) e, verificar se V wi = M si [w i - w o (FMO)] é, experimentalmente, igual ao V wi = M si [w i - w o (EEP)]; caso contrário a preparação deve ser refeita. Para um ensaio programado para ter 6 corpos de prova iniciar compactando a amostra 1 que está com o menor teor de umidade programado. A amostra é colocada em uma bandeja, homogeneizada e protegida contra a perda de umidade durante a compactação das camadas. Uma parte da amostra é colocada no cilindro que, preferencialmente, deve estar apoiado sobre uma base dura, como mostrado na Figura 17.3, à esquerda; a energia de compactação aplicada à camada, através de 26 quedas do martelo, é distribuída como mostrado na mesma Figura, à direita. O topo da camada no fim do processo deve estar quase horizontal indicando que o solo recebeu em cada ponto a mesma energia. Esta é a primeira camada compactada e a camada inferior do corpo de prova. 67 Figura 17.3 Compactação e esquema de distribuição dos golpes Com um paquímetro são feitas medições da espessura da camada compactada em diferentes pontos; verificar se a média dos valores obtidos está, em torno, de 46 mm que é igual a 1/3 da altura do cilindro, 127 mm. Em seguida, o colar é fixado no cilindro. Mais solo é colocado no cilindro e o procedimento descrito para a camada inferior é repetido para a compactação da camada central e, também, da superior. Terminado o processo de compactação do corpo de prova a sua altura deve estar maior que a do cilindro e, por isso, há um excesso de solo que precisa ser retirado; a altura máxima de qualquer ponto da área não pode ser superior a 10 mm. O colar é retirado, o excesso removido deixando o corpo de prova com volume igual ao do cilindro.

68 O cilindro é retirado da base, levado à mesma balança usada para a determinação da massa do cilindro e, realizada a pesagem do conjunto corpo de prova cilindro e, com isso fica conhecida a massa do corpo de prova, M 1 ; o conjunto é levado para o extrator de amostra, mostrado na Figura 9.23 ou um similar, para a retirada do corpo de prova. Na Figura 17.4 estão mostradas quatro fases do ensaio: da esquerda para a direita, o corpo de prova com e sem o excesso e, durante e após a extração 68 Figura 17.4 Diferentes etapas do ensaio de compactação Para a determinação do teor de umidade, com secagem na EEP, é retirada uma porção de solo do interior de cada camada cujo resultado estará disponível somente no dia seguinte; a média dos valores obtidos é o teor de umidade de compactação do corpo de prova. Para agilizar o resultado uma porção do solo é retirada para a determinação do teor de umidade, w 1 (FMO), com o forno microondas. O procedimento adotado na compactação da amostra 1 será repetido com as amostras 3 e 5. Para um primeiro traçado da curva de compactação e estimativa dos valores das coordenadas do pico; como a massa de cada corpo de prova é conhecida e, também, o teor de umidade, w(fmo), a massa específica seca pode ser calculada, com a expressão, e, os três pares de pontos colocados no gráfico mostrado na Figura Se d5 > d3 os pontos estão no ramo ascendente da curva e, o procedimento é repetido com a amostra 6; se d5 d3 o pico da curva estará entre w 3 e w 5. As amostras restantes são compactadas em seguida com procedimento igual ao das três amostras; se necessário ajuste o teor de umidade dessas amostras e, também, da amostra extra e tenha mais um ponto para o traçado da curva. Com o w(eep) obtido no dia seguinte ao ensaio a massa específica seca de cada corpo de prova pode ser, novamente, calculada com a equação e os pares de pontos plotados no gráfico para o traçado da curva de compactação. Comparar os valores da massa específica seca calculada com o teor de umidade, w(fmo), com os obtidos com w(eep) Com reuso O procedimento mais fácil de ser executado é iniciar o ensaio com o solo mais seco e ir acrescentando água à amostra. Ajustada a umidade do primeiro corpo de prova o procedimento a ser seguido é o descrito para o ensaio sem reuso do solo. Depois de retiradas as porções para a determinação do teor de umidade o solo é destorroado, com o uso de uma desempenadeira de madeira, juntado à amostra não usada e, homogeneizado.

69 A quantidade de água, necessária para se alcançar a umidade do segundo corpo de prova, é acrescentada e o solo, novamente, homogeneizado. O procedimento descrito é repetido para a compactação deste e dos demais corpos de prova. O controle da umidade do segundo corpo de prova em diante, é mais difícil do que para o ensaio sem reuso, pois a massa de sólidos inicial vai sendo reduzida com a retirada das porções para a determinação do teor de umidade; por isso, sempre que possível, é preferível realizar o ensaio de compactação sem reuso do solo e com amostras preparadas, sem secagem prévia. 69 Figura 17.5 Curva de compactação inicial traçada com w(fmo) Cuidados Durante a realização do ensaio alguns cuidados precisam ser tomados para que o resultado obtido não se afaste muito do previsto: com a perda de umidade da amostra: a parte da amostra que permanece na bandeja enquanto uma camada está sendo compactada pode perder umidade devido ao calor e a baixa umidade do local resultando teores de umidades diferentes para as três camadas. Para a proteção da amostra pode ser colocada uma toalha úmida sobre um suporte que não permita o contato entre elas; com a espessura das camadas no final da compactação: para que a energia de compactação, por unidade de volume do corpo de prova, seja a mesma a espessura das três camadas devem ser, aproximadamente, iguais; com o volume do corpo de prova compactado: não pode ser menor que o volume do cilindro, pois isso, dificulta o cálculo da massa específica; com a altura máxima do excesso: ela não pode ser maior que 10 mm, em nenhum ponto do topo do corpo de prova; com o controle da umidade no ensaio com reuso do solo: a massa de sólidos inicial vai sendo reduzida a cada corpo de prova compactado e, essa redução precisa ser considerada; com o volume de água a ser acrescentado: durante a homogeneização da amostra, em qualquer um dos dois ensaios, há sempre uma perda de umidade e, o volume de água acrescentado deve ser um pouco maior do que o calculado para compensar essa perda; com a altura de queda e com a queda livre do martelo: para que a energia de compactação, em cada golpe seja sempre a mesma, o soquete precisa cair livremente e da mesma altura. Para isso, a base da guia é encostada no solo, o soquete elevado até sua altura máxima e, em seguida, liberado para uma queda livre; esse procedimento é repetido em cada golpe; com as medições: elas devem ser feitas sempre com os mesmos instrumentos. A balança que fez a pesagem da tara do cilindro deve ser usada para a pesagem do corpo de prova compactado, o mesmo procedimento sendo adotado com as pesagens para a determinação do teor de umidade; o instrumento de medida de um comprimento deve ter resolução que satisfaça a necessidade do ensaio. compactação de um corpo de prova: para os iniciantes o ensaio é válido como um teste de aprendizado; irá ajudar no entendimento do procedimento do ensaio, a tomar os cuidados necessários para que o trabalho não seja perdido.

70 RESULTADO O resultado do ensaio é apresentado na forma de uma curva com as variáveis, teor de umidade nas abscissas e a massa específica seca nas ordenadas, ambas plotadas em escala natural; o teor de umidade de cada corpo de prova é a média dos valores obtidos para as três camadas e a massa específica seca é calculada com a equação [17.1] ou, com a equação Os pares de valores, (ρ d, w), são colocados no gráfico e traçada a curva experimental que melhor se ajusta aos pontos; essa ajustagem pode ser visual ou através de um processo estatístico. Como é o resultado de um ensaio experimental a curva não passa, necessariamente, por todos os pontos marcados no gráfico. A curva tem, apenas, um ponto de máximo cujas coordenadas são o teor de umidade ótimo e a massa específica seca máxima do solo, para a energia de compactação do ensaio; se o mesmo solo for compactado com uma energia diferente desta os valores das coordenadas do ponto de máximo serão diferentes. Para completar, serão traçadas curvas, para diferentes graus de saturação, com a equação de correlação, [17.2] 17.5 EXEMPLO Uma amostra de solo da região de Porto Ferreira, SP, quando caracterizada apresentou os valores mostrados na Tabela O resultado do ensaio de granulometria permitiu classificar o solo como uma argila siltoarenosa, enquanto que, segundo o sistema unificado o solo foi classificado como CH argila plástica inorgânica. Tabela 17.1 Resultado dos ensaios de caracterização do solo granulometria % plasticidade % areia: 14 grossa = w L 61,7 massa específica dos sólidos média 2 w P 26,1 s = 2,678 g/cm 3 fina 12 w S 19,4 silte 35 I P 35,6 solo: inorgânico argila 51 Com a amostra foi realizado o ensaio de compactação com energia de 580 kj/m 3. A amostra foi deixada secar, à sombra, até atingir a umidade que permitisse a compactação do primeiro corpo de prova; em seguida, foi homogeneizada e, juntada para formar um tronco de cone. Para a realização do ensaio de compactação foram retiradas 10 amostras reduzidas, ao longo da superfície do tronco e, colocadas em sacos plásticos. Três porções do solo foram utilizadas para a determinação do teor de umidade com secagem do solo no forno microondas e, a média dos três valores mostrou w o (FMO) = 19,8 % e, admitido como o teor de umidade inicial das amostras reduzidas. Três outras porções foram retiradas para a determinação do w o (EEP), cujo resultado foi obtido somente no dia seguinte. ajuste da umidade de ensaio Na Tabela 17.2 está mostrado o valor da massa inicial, M o, de cada amostra reduzida, o teor de umidade, w o (FMO), estimado com o forno microondas, a massa de sólidos, M s, o teor de umidade

71 programado, w i e a massa, M i, de cada amostra com w i e, o volume de água, V w, a ser adicionado para obter o teor de umidade programado, calculado com a equação, 71 Tabela 17.2 Ajuste da umidade de compactação amostra M o g w(fmo) % 19,8 M s w 20,0 21,5 22,5 24,0 25,0 26,0 27,5 29,0 = = M = = V w cm = = Em cada amostra foi acrescentado o volume de água calculado, homogeneizada, colocada em saco plástico e, identificado com o seu número e, depois, deixada repousar na câmara úmida. As duas amostras, 9 e 10, não foram preparadas, pois, somente serão usadas se necessário. ensaio O resultado do teor de umidade, com a secagem do solo na estufa elétrica padrão, mostrou w o (EEP) = 19,5 %, valor experimentalmente igual ao w o (FMO) = 19,8 % e, por isso, não foi realizada a correção dos valores V w mostrados na Tabela O ensaio foi iniciado com a compactação da amostra 1, depois a amostra 3 e a amostra 7; durante a compactação eram retiradas três porções de solo para a determinação do teor de umidade com o forno microondas. Os pares de valores, teor de umidade e massa específica seca, [w(fmo), d ], mostrados na Tabela 17.4, foram plotados em um gráfico e traçada a curva mostrada na Figura Com a curva passando pelos três pontos foi possível estimar o intervalo de variação do teor de umidade ótimo, entre 23,5 e 25,0 %; como o intervalo de variação programado contém este intervalo não foi preciso fazer correção da umidade das demais amostras. As demais amostras foram então compactadas e os valores obtidos estão mostrados na Tabela Figura 17.6 Curva de compactação, [w(fmo), d ] Terminada a compactação do corpo de prova a altura do excesso foi medida, em diferentes pontos do topo; a média dos valores obtidos, em cada corpo de prova, está mostrada na Tabela 17.3 e, todas são menores que o valor padronizado, igual a 10 mm. Tabela 17.3 Altura do excesso da camada superior Corpo de prova Altura mm 5,8 4,6 3,7 5,0 4,1 3,9 8,9 1,5

72 72 Depois de realizada a pesagem do corpo de prova compactado foi retirada uma porção de solo de cada camada para a determinação do teor de umidade com secagem na estufa elétrica padrão (EEP); o valor final é a média das três determinações. Na Tabela 17.4 estão mostrados os valores medidos e os calculados, bem como as características geométricas e a massa do cilindro. Na Figura 17.7 estão mostradas três curvas de compactação: as curvas a. e b. foram ajustadas visualmente aos pares de pontos [w(fmo), d ] e [w(eep), d ], respectivamente, enquanto, a curva c. mostra o ajuste, através do método dos mínimos quadrados, de uma curva do segundo grau aos pares [w(eep), d ] e, a equação de regressão obtida é, d = - 0, ,1966 w 0, w 2, com o teor de umidade em percentagem e a massa específica seca em g/cm 3. Na Figura 17.7.b estão mostradas curvas para diferentes graus de saturação. Na Tabela 17.5 estão mostrados os valores da massa específica seca para as curvas b. e c calculados para os mesmos teores de umidade do ensaio. Tabela 17.4 Resultado do ensaio de compactação Proctor Normal Características do cilindro n o 8 M c = g D = 99,8 mm H = 126,9 mm V = 992,688 cm 3 ensaio amostra M + M c g M g g/cm 3 1,732 1,783 1,832 1,885 1,904 1,911 1,905 1,893 teor de umidade FMO w(fmo) 19,9 21,1 22,4 23,6 24,6 25,8 27,3 28,5 d 1,445 1,472 1,497 1,525 1,528 1,519 1,496 1,473 teor de umidade EEP camada: superior 20,0 21,2 22,1 23,5 24,8 26,1 27,6 28,7 central 20,3 21,3 22,1 23,5 24,7 26,0 27,4 28,9 inferior 20,3 21,3 22,1 23,6 24,9 26,2 27,8 28,9 Resultado do ensaio w (EEP) % 20,2 21,3 22,1 23,5 24,8 26,1 27,6 28,8 d g/cm 3 1,441 1,470 1,501 1,526 1,526 1,515 1,493 1,470 e 0,858 0,822 0,784 0,755 0,755 0,768 0,794 0,822 S r % 63,0 69,4 75,5 83,4 88,0 91,0 93,1 93,8 Tabela 17.5 Massa específica seca teor de umidade w dexp daju d = dexp - daju 20,2 1,441 1, ,001 21,3 1,470 1,475-0,005 22,1 1,501 1, ,006 23,5 1,526 1, ,008 24,8 1,526 1, ,001 26,1 1,515 1,519-0,004 27,6 1,493 1,495-0,002 28,8 1,470 1, ,006

73 Na Tabela 17.6 estão mostrados os valores do teor de umidade ótimo, massa específica seca máxima e, os correspondentes valores do índice de vazios e do grau de saturação, para as três curvas. O teor de umidade ótimo e a massa específica seca máxima da curva c. foram calculados com a equação, enquanto que, as coordenadas dos picos das curvas a. e b. foram retiradas das Figuras. Tabela 17.6 Valores das coordenadas do pico das curvas curva w ot dmax e S r a 24,3 1,530 0,750 86,8 b 24,1 1,531 0,749 86,2 c 24,9 1,525 0,756 88,2 73 Figura 17.7 Curva de compactação para três situações

74 74 ÍNDICE DE VAZIOS MÁXIMO E MÍNIMO A compactação de um material granular, em laboratório, fornece uma estimativa do valor do índice de vazios, máximo e mínimo, que corresponde, respectivamente, ao estado de mínima e de máxima compacidade; o procedimento do ensaio deve procurar minimizar a segregação dos grãos e não alterar a granulometria do material ensaiado. Os valores estimados não representam valores absolutos desses extremos, mas sim aqueles possíveis de serem obtidos, segundo o procedimento adotado no ensaio. Devido à alta permeabilidade dos materiais granulares a variação da umidade, durante o ensaio, não tem influência significativa no valor da massa específica seca; a utilização de um soquete, igual ao usado na compactação de um solo, pode quebrar os grãos e provocar uma alteração da granulometria e, com isso, também nos valores dos índices de vazios. A melhor maneira de se compactar um material granular, depois de secado em estufa, é através de um processo vibratório; no entanto, se o material contiver grãos grandes e pequenos a facilidade de movimentação desses últimos, através dos vazios formados pelos primeiros, pode produzir uma segregação com a formação de camadas, com granulometria diferentes, o que nem sempre é desejável. O ensaio pode ser realizado com um material granular, com grãos menores que 75 mm ou com um solo grosso que tenha no máximo 12% de sólidos passando na #200, com abertura 0,075 mm. Segundo Mehdiratta e Triandafilidis (1.978) o valor do índice de vazios máximo e do mínimo obtidos através de ensaios padronizados não é uma constante do solo ensaiado, mas, é o valor possível de ser obtido com o procedimento adotado; além disso, o valor do índice de vazios mínimo é, também, afetado pela amplitude dupla de vibração da mesa vibratória usada no ensaio A, de acordo com relato de Sellig e Ladd (1.973). Para o controle da compactação de um material granular ou para a determinação da condição atual de uma camada de areia, é usada a compacidade relativa cujo valor mostra a posição do índice de vazios da camada dentro do intervalo definido no ensaio de laboratório. A compacidade relativa varia de um valor 0,0, para um índice de vazios atual igual ao índice de vazios máximo até 1,0 para o outro extremo do intervalo; com o valor obtido o material é classificado quanto a compacidade. No resultado do ensaio, além do valor do índice de vazios, máximo e mínimo, também a curva granulométrica e a massa específica dos sólidos devem ser fornecidas EQUIPAMENTO Os elementos que compõem o equipamento usado no ensaio estão mostrados ma Figura 18.1 e detalhados no Apêndice G. Dependendo do tipo de vibrador usado no ensaio os elementos principais do equipamento são diferentes gerando dois tipos de ensaios. A Tabela 18.1 mostra, para os dois tipos de ensaio, o tipo de cilindro usado que depende da percentagem que passa nas peneiras de aberturas indicadas e, também, a massa seca da amostra reduzida. Tabela 18.1 Tipo de ensaio, de cilindro e limites do material granular Ensaio Vibrador Cilindro Volume P p (# mm) M s cm ,075 kg A mesa vibratória pequeno grande < B peneiras Proctor , PREPARAÇÃO DA AMOSTRA A preparação da amostra reduzida a partir de uma amostra representativa está descrita no Capitulo 11; o processo de quarteamento prossegue até que seja alcançado um valor da massa seca próximo do mostrado na Tabela Durante a preparação deve-se prever a necessidade de realizar um mínimo de três ensaios sem reuso da amostra. Se houver a necessidade de se retirar os finos a amostra precisa ser peneirada na #200.

75 O ensaio pode ser feito com a amostra secada na estufa elétrica ou úmida e, em ambos os casos ela deve ser homogeneizada. 75 Figura 18.1 Equipamento do ensaio B 18.3 TIPOS DE ENSAIOS A determinação dos valores dos índices de vazios extremos é feita de um modo contínuo; inicialmente é feito o ensaio para a determinação do índice de vazios máximo e, em seguida, usando a mesma amostra determina-se o índice de vazios mínimo, com um dos dois tipos de ensaios: o A usando uma mesa vibratória e dois cilindros e o B usando um vibrador de peneiras e um cilindro igual ao de Proctor. Em qualquer um dos ensaios para a determinação do índice de vazios mínimo pode ser usada uma amostra úmida ou secada na estufa ÍNDICE DE VAZIOS MÁXIMO Ensaio O procedimento para a determinação do índice de vazios máximo para os dois tipos de ensaios é o mesmo; por isso a descrição não faz menção ao tipo de ensaio. O índice de vazios máximo, que corresponde a uma massa específica seca mínima do solo, é obtido usando no ensaio uma amostra secada na estufa; o ensaio não é realizado com amostra úmida para permitir que os grãos possam atuar individualmente. O material será colocado dentro do cilindro com uma ferramenta que é escolhida em função do tamanho máximo dos grãos, como mostrado na Tabela Tabela 18.2 Ferramentas usadas na colocação da amostra no cilindro D max V c Ferramenta D max V c Ferramenta mm cm 3 mm cm 3 mm pá Funil: diâmetro da haste 38 ou 9, concha metálica 4,8 13 O cilindro deve ser colocado em um local onde não sofrerá vibração durante a colocação dos grãos. A deposição do material granular no cilindro, com a utilização de um funil é realizada da seguinte maneira: com o funil apoiado na base do cilindro a amostra é colocada dentro dele até enchêlo. Em seguida, o funil é elevado de uma altura igual a 1 cm e movimentado, segundo uma espiral, da borda para o centro procurando formar camadas com mesma espessura. A vazão do material no bico deve ser constante e o movimento do funil não deve permitir a segregação dos grãos. O processo é repetido até que o cilindro tenha um excesso de material, de 1 a 2 cm, acima do topo; o excesso é retirado com uma régua rígida biselada, com o necessário cuidado para não provocar vibração no cilindro. O volume da amostra será admitido igual ao volume do cilindro.