UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ UFPR SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO DE ENGENHARIA CIVIL LABORATÓRIO de MECÂNICA dos SOLOS - Conceito de Plasticidade - Ensaios LL, LP, LC Christiane Wagner Mainardes Krainer 1. Introdução SUMÁRIO 2. Plasticidade do Solo 2.1 Conceito 2.2 Plasticidade e Umidade 2.3 Coeficiente de Permeabilidade 2.4 Composição Mineral das Argilas 2.5 Argilo-Minerais 1
3. Estados de Consistência 3.1 Limites de Atterberg 3.2 Limites de Consistência 3.3 Limite de Liquidez 3.4 Limite de Plasticidade 3.5 Gráfico de Plasticidade 3.6 Limite de Contração 3.7 Grau de Contração 3.8 Índice de Fluidez 3.9 Índice de Consistência SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Os solos finos (silte e argila), não são caracterizados adequadamente pelo ensaio de granulometria. Necessita-se outros parâmetros: forma das partículas a composição mineralógica e química e as propriedades plásticas (relacionados com o teor de umidade) 2
1. INTRODUÇÃO Experiências realizadas por Atterberg, Terzaghi e Goldschmidt mostraram que a plasticidade dos solos é devida às cargas elétricas existentes nas partículas laminares de argila, que influenciam na sua estrutura. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 1. INTRODUÇÃO Para que a plasticidade possa manifestar-se em um solo é necessário que a forma de suas partículas finas permita que elas deslizem, umas por sobre outras, desde que haja quantidade suficiente de água para atuar como lubrificante. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 3
1. INTRODUÇÃO Existem entre os extremos, onde a argila se apresenta seca ou com consistência de lama, existe um intervalo de umidade para o qual a argila se comporta plasticamente. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 2. PLASTICIDADE DO SOLO O termo plasticidade é entendido, na Mecânica dos Solos, como sendo a propriedade que um material apresenta de suportar deformações rápidas, sem variação volumétrica apreciável e sem haver fissuração. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 4
2. PLASTICIDADE DO SOLO Propriedade dos solos finos que consiste na maior ou menor capacidade de serem moldados sob certas condições de umidade. 2.1 CONCEITO DE PLASTICIDADE ABNT - NBR 7250/82: É a propriedade de solos finos, entre largos limites de umidade, de se submeterem a grandes deformações permanentes, sem sofrer ruptura, fissuramento ou variação de volume apreciável. 5
2.1 CONCEITO DE PLASTICIDADE argilo-minerais (solos finos) partículas que favorecem a plasticidade quartzo e o feldspato (solos arenosos) não desenvolvem misturas plásticas 2.2 PLASTICIDADE E UMIDADE Quanto maior teor de umidade implica em menor resistência. 6
2.3 COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE pode ser determinado através de: ensaios de laboratório (amostras indeformadas) ensaios in situ 2.4 COMPOSIÇÃO MINERAL DAS ARGILAS Argila partículas Ø < 0,002 mm (NBR 7250) em contato com a água adquire plasticidade não é constituída só de partículas que apresentam plasticidade. é constituída de diversos tipos de partículas (tabela) 7
2.4 COMPOSIÇÃO MINERAL DAS ARGILAS Tabela classificação em função do tipo de partícula. A plasticidade de um solo é devida aos argilo-minerais, às micas e ao húmus existentes. 2.4 COMPOSIÇÃO MINERAL DAS ARGILAS Os argilo-minerais merecem destaque, pois: teor argilo-minerais > teor mica e húmus 8
2.5 ARGILO-MINERAIS São silicatos hidratados de alumínio, que apresentam: Plasticidade Permuta catiônica Dimensões < 2 mícron Forma lamelar e alongada. 2.5 ARGILO-MINERAIS Podem ser classificados em diversos grupos, conforme: estrutura cristalina e propriedades semelhantes Principais grupos de argilo-minerais: Caulinitas Ilitas Montmorilonitas 9
2.5 ARGILO-MINERAIS Argila tipo 1:1 = Caulinitas As ligações de hidrogênio são fracas, mas suficientemente fortes para evitarem a penetração da água entre as unidades estruturais. As caulinitas são as argilas de maiores dimensões. 2.5 ARGILO-MINERAIS Argila tipo 1:1 = Caulinitas Por esta razão, as caulinitas apresentam: pequena expansão difícil dispersão na água baixa plasticidade 10
2.5 ARGILO-MINERAIS Argila tipo 2:1 = Montmorilonitas Possuem grande capacidade de adsorção de água e de permuta catiônica, pois possuem ligações quebradas e cargas negativas nas superfícies das unidades estruturais. As montmorilonitas são as argilas de menores dimensões. 2.5 ARGILO-MINERAIS Argila tipo 2:1 = Montmorilonitas Como a água penetra com grande facilidade entre as camadas estruturais, as montmorilonitas possuem: fácil dispersão na água grande expansão alta plasticidade 11
3. ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Os limites de consistência são baseados no conceito de que um solo constituído por partículas de pequeno tamanho pode se situar em qualquer dos 4 estados: sólido, semi - sólido, plástico e líquido, dependendo da sua umidade. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 3. ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Um solo se apresenta no estado líquido quando tem a aparência fluida, ou de lama. No estado plástico, ele se apresenta com característica moldável. No estado semi sólido, já com características sólidas, o solo ainda apresenta retração ao secamento. No estado sólido ele não sofre mais variação volumétrica. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 12
3. ESTADOS DE CONSISTÊNCIA As respectivas umidades que definem a passagem de um estado de consistência para outro, são chamadas de limite de consistência. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 3. ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Consistência Grau de resistência e plasticidade do solo que dependem das ligações internas entre as partículas do solo. 13
3. ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Solos coesivos possuem: uma consistência plástica entre certos teores limites de umidade abaixo destes teores eles apresentam uma consistência sólida acima uma consistência líquida e ainda, uma consistência semi-sólida (entre plástica e sólida) 3. ESTADOS DE CONSISTÊNCIA Albert Atterberg Os solos finos apresentam variações de estado de consistência em função do teor de umidade. Limites de Atterberg (limites de consistência) teores de umidade limite para tipos de solos 14
3.1 LIMITES DE ATTERBERG A presença de água nos solos finos pode afetar significativamente o comportamento de engenharia, portanto, são necessários índices de referência que evidenciem esses efeitos. * (Holtz and Kovacs, 1981) https://docs.google.com/presentation/d/11pa6xbvywv65zq9zup3wafrqkbv5zeh5zxxry_ainyw/htmlpresent 3.1 LIMITES DE ATTERBERG Mistura fluida solo-água Teor de umidade crescente Solo seco Estado Líquido Estado Plástico Estado Semi-sólido Estado Sólido Limite de Liquidez, LL Limite de Plasticidade, LP Limit de Contração, LC * https://docs.google.com/presentation/d/11pa6xbvywv65zq9zup3wafrqkbv5zeh5zxxry_ainyw/htmlpresent 15
3.2 LIMITES DE CONSISTÊNCIA Os teores de umidade correspondentes aos limites de consistência entre: sólido e semi-sólido; semi-sólido e plástico; e plástico e líquido......são definidos como: Limite de Contração (LC) Limite de Plasticidade (LP) Limite de Liquidez (LL) 3.2 LIMITES DE CONSISTÊNCIA 16
3.2 LIMITES DE CONSISTÊNCIA Estado líquido o solo apresenta aparência fluida Estado plástico solo se apresenta com característica moldável Estado semi-sólido o solo ainda apresenta retração ao secamento Estado sólido o solo não sofre mais variação volumétrica http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Atterberg definiu o limite de liquidez em termos de uma técnica de laboratório que consiste em colocar o solos misturado com água em uma concha, fazendo no solo uma ranhura. Em seguida, a concha é golpeada contra uma superfície dura até fechar a ranhura num determinado comprimento. O solo tem a umidade correspondente ao limite quando as bordas inferiores da ranhura se tocam, num determinado comprimento, após um certo números de golpes. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 17
3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) A necessidade de normalizar o processo para a determinação do limite de liquidez levou Casagrande a elaborar um aparelho que pudesse ser utilizado em todos os laboratórios, de uma maneira padronizada, minimizando a influência do operador sobre o resultado obtido, este aparelho leva o nome de APARELHO DE CASAGRANDE. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Este aparelho consiste de uma calota de latão que conterá o material e que cairá sobre uma base sólida (ebonite), queda provocada por um excêntrico ligado a uma manivela, à qual se dá um movimento de rotação. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 18
3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) O Limite de Liquidez é o teor de umidade para o qual a ranhura de solo se fecha com 25 golpes, no aparelho de Casagrande. N=25 golpes Abertura da ranhura = 12,7mm (0.5 in) * (Holtz and Kovacs, 1981) https://docs.google.com/presentation/d/11pa6xbvywv65zq9zup3wafrqkbv5zeh5zxxry_ainyw/htmlpresent 3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Prof. Dr. Celso Augusto Guimarães Santos 19
3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Aparelho de Casagrande http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Aparelho de Casagrande http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 20
3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) São colocados 70g de solo, que passa na peneira com abertura igual a 0.42 mm, homogeneizada com água até formar uma pasta, na calota do aparelho. Com o cinzel abrira-se uma ranhura no centro da calota. Gira-se a alavanca na velocidade de 2 revoluções por segundo, conta-se o números de golpes da calota, necessários para obter-se o fechamento da ranhura em 1 cm entre as paredes inferiores. Convém na 1ª determinação com a pasta que sejam necessárias mais de 25 golpes para o fechamento da ranhura. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Acrescentando-se água ao solo repete-se o processo anterior pelo menor 3 vezes. Dessa maneira resulta 4 pares de valores umidade x n.º de golpes que, colocadas no gráfico semi logarítmico com o n.º de golpes no eixo logarítmico, se alinham numa reta. O limite de liquidez é então obtido como sendo a umidade correspondente a 25 golpes. http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf 21
3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Sequência do ensaio (LL) https://docs.google.com/presentation/d/11pa6xbvywv65zq9zup3wafrqkbv5zeh5zxxry_ainyw/htmlpresent 3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Prof. Dr. Celso Augusto Guimarães Santos 22
3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Método de Casagrande https://docs.google.com/presentation/d/11pa6xbvywv65zq9zup3wafrqkbv5zeh5zxxry_ainyw/htmlpresent 3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) LL = w / (1,419 0,3 log n) Prof. Dr. Celso Augusto Guimarães Santos 23
3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL) Índice de Liquidez (IL) O índice de liquidez é indicativo das tensões vividas pelo solo ao longo de sua história geológica. Onde: w = umidade natural LL = limite de liquidez LP = limite de plasticidade O limite de plasticidade (LP) é determinado pelo cálculo da porcentagem da umidade para a qual o solo começa a se fratura quando se tentar moldar, com ele, um cilindro de 3 mm de diâmetro e cerca de 10 cm de comprimento. Prof. Dr. Celso Augusto Guimarães Santos 24
Para determinação do LP são usados 50,0g de material passando na peneira com abertura igual a 0.42 mm. Desse material homogeneizando com água até adquirir característica plástica, toma-se cerca de 15,0g e sobre uma placa de vidro, procura-se fazer pequenos cilindros de solo com 3 mm de diâmetro e cerca de 10 centímetros de comprimento, rolando o solo entre a mão e a placa de vidro até que o cilindro apresente as primeiras fissuras. A umidade desse material é definida com limite de plasticidade do solo ensaiado. Repete-se pelo menos 2 vezes o processo para obter-se o valor médio. 25
(Holtz and Kovacs, 1981) O limite de plasticidade, LP, é o teor de umidade no qual um cilindro de solo com 3,2 mm de diâmetro começa a trincar quando moldado. ASTM D4318-95a, BS1377: Part 2:1990:5.3 * https://docs.google.com/presentation/d/11pa6xbvywv65zq9zup3wafrqkbv5zeh5zxxry_ainyw/htmlpresent APARELHAGEM A aparelhagem necessária é a seguinte: a) Cápsula de porcelana com capacidade de 500 ml; Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil 26
b) espátula com lâmina flexível de cerca de 8 cm de comprimento e 2 cm de largura; 8 cm 2 cm Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil c) placa de vidro de superfície esmerilhada; Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil 27
d) cilindro de comparação de 3 mm de diâmetro e cerca de 10 cm de comprimento; 10 cm 3 mm Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil e) recipiente que permita guardar amostras sem perda de umidade antes de sua pesagem; Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil 28
f) balança com capacidade de 200 g, sensível a 0,01 g; Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil g) estufa capaz de manter a temperatura entre 105 0 e 110 0 C. Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil 29
ENSAIO a) Coloca-se a amostra na cápsula e junta-se água destilada em quantidade suficiente para se obter massa plástica. Deve-se adicionar a água aos poucos, misturando-se continuamente com a espátula até a completa homogeneização da massa; Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil b) separam-se cerca de 20 g da massa obtida como descrito na alínea a, modelando-a na forma elipsoidal. Rola-se esta massa entre os dedos e a face esmerilhada da placa de vidro, com pressão suficiente, a fim de moldála na forma de um cilindro de diâmetro uniforme. O número de rolagens deverá estar compreendido entre 80 e 90 por minuto, considerando-se uma rolagem como o movimento da mão para a frente e para trás, retornando ao ponto de partida. Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil 30
b.1) Quando o diâmetro do cilindro de solo atingir 3 mm, quebra em seis ou oito pedaços; amassa-se, a seguir, com os dedos, os referidos pedaços até se obter uma massa de forma elipsoidal. Procede-se novamente à rolagem até formar um cilindro de 3 mm de diâmetro, juntando, amassando e rolando, respectivamente, até que o cilindro de solo desagregue sob a pressão requerida para a rolagem e não seja mais possível formar um novo cilindro com o solo. A desagregação pode ocorrer quando o cilindro de solo apresentar um diâmetro maior do que 3 mm. Este deve ser considerado um estágio final satisfatório, tendo em vista que o solo foi antes rolado até atingir a forma de um cilindro de 3 mm de diâmetro. Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil 31
Sequência do ensaio (LP) http://www.civilnet.com.br/files/mecsolos2/mec.solos.i.2011/cap5.pdf OBSERVAÇÃO: A desagregação se manifesta diferentemente, conforme o tipo do solo. Alguns solos se desagregarão em numerosos pequenos aglomerados de partículas. Outros, poderão formar uma camada externa, tubular, que começa a desagregar em ambas as pontas, progredindo em direção ao meio e, finalmente, o cilindro rompe em vários pedaços pequenos. Solos muito argilosos requerem mais pressão da mão para a deformação do cilindro, particularmente quando se aproxima do Limite de Plasticidade, quando, então, o cilindro parte-se em uma série de segmentos, com a forma de tubo, cada um com cerca de 6 a 10 mm de comprimento. Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil 32
OBSERVAÇÃO: Dificilmente o operador poderá produzir a desagregação do cilindro exatamente com 3 mm de diâmetro, a não ser reduzindo o número de rolagens, a pressão da mão, ou ambos e continuando a operação, sem deformação posterior, até que o cilindro se desagregue. É permitido, entretanto, reduzir a quantidade total de deformações no caso de solos pouco plásticos fazendo com que o diâmetro inicial da massa de solo de forma elipsoidal se aproxime dos requeridos 3 mm de diâmetro final; Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil c) Ao se fragmentar o cilindro, transferem-se imediatamente os seus pedaços para o recipiente e determina-se a umidade pela fórmula: h Ph Ps x100 Ps em que: h - teor de umidade, em porcentagem; P h - peso do material úmido; P s - peso do material seco em estufa a 105 0-110 0 C, até constância de peso d) Repetem-se as operações anteriores até que se obtenham 3 valores que não difiram da respectiva média de mais de 5%. Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil 33
RESULTADO: O Limite de Plasticidade - LP é expresso pela média dos teores de umidade obtidos como foi indicado. Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil Índice de Plasticidade (IP) Fisicamente representaria a quantidade de água que seria necessário a acrescentar a um solo, para que ele passasse do estado plástico ao líquido. IP = LL LP 34
IP: Índice de Plasticidade (IP) determina o caráter de plasticidade de um solo quando maior mais plástico será o solo Classificação (Jenkins): Fracamente plásticos 1 < IP 7 Medianamente plásticos 7 < IP 15 Altamente plásticos IP > 15 3.5 GRÁFICO DE PLASTICIDADE Prof. Dr. Celso Augusto Guimarães Santos 35
3.6 LIMITE DE CONTRAÇÃO A determinação de LC, teor de umidade a partir do qual o solo não mais se contrai, não obstante continue perdendo peso, é feita tendo em vista que o índice de vazios da amostra é o mesmo, quer quando saturada (no momento que cessa a contração), quer estando completamente seca. LC = (γ a /γ s ) (1/δ) Prof. Dr. Celso Augusto Guimarães Santos 3.6 LIMITE DE CONTRAÇÃO Um outro modo de calcular LC: LC = h (V 1 V 2 )γ a /P s 36
3.7 GRAU DE CONTRAÇÃO (C) É a razão da diferença entre os volumes inicial (Vo) e final (Vf) após a secagem da amostra, para o volume inicial (Vo), expressa em porcentagem: C = (Vo - Vf)/ Vo solos bons C < 5% solos regulares 5% < C < 10% solos sofríveis 10% < C < 15% solos péssimos C > 15% 3.8 ÍNDICE DE FLUIDEZ IF = h 10 h 100 h 10 IF h 100 log10 log100 log N Prof. Dr. Celso Augusto Guimarães Santos 37
3.9 ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA (IC) Busca situar o teor de umidade do solo no intervalo de interesse para a utilização na prática, ou seja, entre o limite de liquidez e o de plasticidade. 3.9 ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA (IC) Quantitativamente, cada um dos tipos pode ser identificado quando se tratar de argilas saturadas, pelo seu índice de consistência IC = (LL - w)/ip do seguinte modo: muito moles IC < 0 moles 0 < IC < 0,50 médias 0,50 < IC < 0,75 rijas 0,75 < IC < 1,00 duras IC > 1,00 38
3.9 ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA (IC) Qualitativamente, cada um dos tipos pode ser identificado do seguinte modo: Muito moles as argilas que escorrem com facilidade entre os dedos, se apertadas nas mãos; Moles as que são facilmente moldadas pelos dedos; Médias as que podem ser moldadas pelos dedos; Rijas as que requerem grande esforço para serem moldadas pelos dedos; Duras as que não podem ser moldadas pelos dedos e que, ao serem submetidas o grande esforço, desagregam-se ou perdem sua estrutura original. 39