Notas de aulas de Mecânica dos Solos I (parte 6)

1 Notas de aulas de Mecânica dos Solos I (parte 6) Helio Marcos Fernandes Viana Tema: Plasticidade, estados de consistência e limites de consistência Conteúdo da parte 6 1 Plasticidade 2 Estados de consistência 3 Limites de consistência 4 Índice de plasticidade 5 Índice de consistência 6 Ensaios para determinação dos limites de consistência

2 1 Plasticidade 1.1 Introdução Desde a antiguidade, sabe-se que variado a umidade do solo faz com que o solo atinja um estado de consistência plástico, o qual permite que o solo seja trabalhado para formar telhas, tijolos, vasos cerâmicos, etc. A plasticidade de um solo depende: a) Do argilomineral presente no solo; e b) Da quantidade de água presente no solo. Pode-se dizer que a plasticidade está associada aos solos finos ou argilosos. OBS(s). i) Consistência pode ser compreendida como firmeza ou solidez de um material; e ii) Para Mecânica dos Solos, estado de consistência é diferente de grau de consistência, pois: a) O estado de consistência do solo se relaciona aos limites de consistência do solo; e o estado de consistência do solo pode ser: sólido, semi-sólido, plástico e líquido; e b) O grau de consistência do solo se relaciona ao índice de consistência (IC) dos solos argilosos; e o grau de consistência dos solos argilosos pode ser: muito mole, mole, médio, rígido ou duro. 1.2 Conceito de plasticidade para Mecânica dos Solos Para Mecânica dos Solos plasticidade é a propriedade que o solo tem de experimentar deformações rápidas sem ocorrer variações volumétricas apreciáveis, e sem ocorrer ruptura do solo. OBS. Como exemplo de plasticidade pode-se citar: o moldar e curvar (ou deformar) de rolinhos de solos argilosos, sem que os rolinhos se quebrem. 1.3 Mecanismo de manifestação da plasticidade Quando há uma quantidade suficiente de água atuante como lubrificante nos solos finos, as partículas finas podem deslizar uma sobre as outras; Assim sendo, há manifestação da plasticidade. OBS. Caso a quantidade de água adicionada ao solo for maior que a necessária para manifestação da plasticidade, então será formada uma mistura com características de fluido viscoso. Assim sendo, o solo deixa de ser plástico e passa a ter características de um líquido.

3 2 Estados de consistência Como já dito anteriormente, consistência pode ser compreendida como firmeza ou solidez de um material. Bem, em função da quantidade de água presente no solo, têm-se 4 (quatro) estados de consistência no solo, os quais em ordem decrescente de teor de umidade são: a) Estado de consistência líquido No estado de consistência líquido, o solo apresenta características de um líquido, isto é, o solo não apresenta resistência ao cisalhamento, e apresenta aparência de fluido viscoso. b) Estado de consistência plástico No estado de consistências plástico, o solo apresenta plasticidade, ou seja, o solo pode ser moldado sem ocorrer variações volumétricas apreciáveis, e sem ocorrer ruptura. c) Estado de consistência semi-sólido No estado de consistência semi-sólido, o solo tem aparência de um sólido, mas ainda passa por variações de volume ao ser secado; e também desmancha ao ser trabalhado. OBS. Sólido pode ser entendido como um estado em que um corpo se mantém compacto, e não pode ser moldado com as mãos. d) Estado de consistência sólido No estado de consistência sólido, o solo tem aparência de um sólido, e não sofre variação de volume ao ser secado. 3 Limites de consistência Os limites de consistência do solo são limites existentes entre os estados de consistência do solo, ou seja, são as fronteiras entre os estados de consistência do solo. Os limites de consistência correspondem a teores de umidade do solo, e correspondem à passagem de um estado de consistência para outro. Assim sendo, têm-se os seguintes limites de consistência: a) LL ou limite de liquidez Corresponde à passagem do estado de consistência líquido para estado de consistência plástico.

4 b) LP ou limite de plasticidade Corresponde à passagem do estado de consistência plástico para o estado de consistência semi-sólido. c) LC ou limite de contração Corresponde à passagem do estado de consistência semi-sólido para o estado de consistência sólido. OBS. Os limites de consistência são também conhecidos como limites de Atterberg, que foi o primeiro pesquisador que se preocupou em estabelecê-los. A Figura 3.1 mostra uma relação geral, elucidativa (ou esclarecedora), que relaciona: os limites de consistência, os estados de consistência, o volume do solo, e a resistência ao cisalhamento do solo. Figura 3.1 - Relação geral, elucidativa, que relaciona: os limites de consistência, os estados de consistência, o volume do solo, e a resistência ao cisalhamento do solo OBS. Com base na Figura 3.1, é possível compreender os deslizamentos de solo nos períodos de chuva. Pois, nos períodos de chuva, os solos argilosos aumentam o seu teor de umidade e diminuem a sua resistência ao cisalhamento. Além disso, nos períodos de chuva os solos absorvem água e ficam mais pesados o que facilita ainda mais os deslizamentos.

5 4 Índice de plasticidade 4.1 Importância e definição do índice de plasticidade O índice de plasticidade é de grande utilidade para classificação dos solos. Além disso, o índice de plasticidade indica a maior ou menor plasticidade do solo. O índice de plasticidade é definido pela seguinte equação: em que: IP = índice de plasticidade; LL = limite de liquidez; e LP = limite de plasticidade. IP LL LP (4.1) Fisicamente, o índice de plasticidade (IP) representa a quantidade de água, que seria necessário acrescentar a um solo, para que o solo passe do início do estado plástico (LP) para o início do estado líquido (LL). 4.2 Classificação da plasticidade dos solos de acordo com o IP A Tabela 4.1 mostra a classificação dos solos quanto à plasticidade de acordo com o IP. Tabela 4.1 - Classificação dos solos quanto à plasticidade de acordo com o IP Tipo de solo Índice de plasticidade (IP) Fracamente plástico 1 < IP < 7 Medianamente plástico 7 < IP < 15 Altamente plástico IP > 15 4.3 Comentários finais quanto ao índice de plasticidade (IP) Quanto maior o IP (índice de plasticidade) de um solo argiloso mais compressível é o solo argiloso. Assim sedo, solos com altos valores de IP apresentam elevados recalques (ou afundamentos) ao serem carregados. Quando o material não tem plasticidade, por exemplo, uma areia; Então, considera-se o índice de plasticidade nulo, e escreve-se IP = NP (material não plástico) na folha do relatório de ensaio no laboratório.

6 5 Índice de consistência 5.1 Importância e definição do índice de consistência O índice de consistência serve para determinar o grau de consistência de um solo, em função do teor de umidade que o solo se encontra. O índice de consistência de um solo é definido pela seguinte equação: LL W IC (5.1) LL LP em que: IC = índice de consistência; LL = limite de liquidez (%); LP = limite de plasticidade (%); e W = teor de umidade do solo, ou umidade que se encontra a amostra (%). 5.2 Relação existente o índice de consistência (IC), o grau de consistência das argilas, e a resistência à compressão simples (RCS) A Tabela 5.1 mostra a relação existente entre o índice de consistência (IC), o grau de consistência das argilas, e a resistência à compressão simples (RCS). Tabela 5.1 - Relação existente entre o índice de consistência (IC), o grau de consistência das argilas, e a resistência à compressão simples (RCS) Índice de consistência do solo (IC) Grau de consistência da argila RCS (kgf/cm 2 ) IC < 0 muito mole RCS < 0,25 0 < IC < 0,50 mole 0,25 < RCS < 0,50 0,50 < IC < 0,75 médias 0,50 < RCS < 1 0,75 < IC < 1,00 rijidas 1 < RCS < 4 IC > 1,00 duras RCS > 4

7 6 Ensaios para determinação dos limites de consistência 6.1 Introdução aos ensaios utilizados para determinar os limites de consistência dos solos Os ensaios utilizados para determinar os limites de consistência do solo são: a) Ensaio limite de liquidez (LL); b) Ensaio limite de plasticidade (LP); e c) Ensaio de limite de contração (LC). Os ensaios utilizados para determinar os limites de consistência LL e LP são ensaios rotineiros nos laboratórios de Mecânica dos Solos. Contudo, o ensaio LC (limite de contração) é um ensaio pouco utilizado. Os ensaios LL (limite de liquidez) e LP (limite de plasticidade) são de grande importância, pois estes ensaios são utilizados nos sistemas de classificação dos solos para construção de estradas e aeroportos; os quais são: a) O sistema de classificação HRB (Highway Research Board), atual TRB; e b) O sistema de classificação USCS (Unified Soil Classification System). OBS. TRB significa Trasportation Research Board. 6.2 Ensaio limite de liquidez 6.2.1 Introdução ao ensaio limite de liquidez Limite de liquidez é o teor de umidade corresponde à fronteira entre o estado líquido e o estado plástico do solo. OBS. Estado líquido é o estado em que o solo não apresenta mais resistência ao cisalhamento. 6.2.2 Principais procedimentos do ensaio de limite de liquidez O ensaio de limite de liquidez possui os seguintes procedimentos: i) Deposita-se na concha do aparelho de Casagrande, uma porção úmida de solo que passa na peneira n. o 40, até preencher, aproximadamente, 2/3 (dois terços) da concha; ii) Na sequência, faz-se uma ranhura no solo com um cinzel, e em seguida, gira-se a manivela do aparelho de Casagrande na razão de duas revoluções por segundo; iii) O impacto da concha contra a base do aparelho faz com que a ranhura feita com o cinzel se feche;

8 iv) Então, anota-se o número de golpes necessários para fechar, aproximadamente, 12 mm da ranhura, e determina-se o teor de umidade do solo; OBS. O solo retirado para determinação do teor de umidade deverá ser o solo retirado do local, onde a ranhura se fechou, aproximadamente, 12 mm. v) Em seguida, acrescenta-se água destilada a massa de solo, e repete-se o processo descrito de i a iv, pelo menos mais 3 (três) vezes; De modo que cubra um intervalo de pontos de 15 a 35 golpes da concha; vi) Após determinação dos teores de umidade correspondentes aos números de golpes, traça-se o gráfico teor de umidade versus número de golpes necessários para fechar, aproximadamente, 12 mm da ranhura; e vii) Finalmente, o teor de umidade correspondente a 25 golpes da concha para fechar a ranhura no solo será o limite de liquidez (LL). A Figura 6.1 ilustra um gráfico usado na determinação do limite de liquidez. Figura 6.1 - Exemplo de um gráfico usado na determinação do limite de liquidez A Figura 6.2 mostra um aparelho de Casagrande utilizado nos ensaios de limite de liquidez. A Figura 6.3 ilustra as 3 (três) fases do ensaio LL, ou seja: (a) concha com solo, antes da ranhura com o cinzel, (b) concha com solo, após a ranhura com o cinzel, e (c) concha com solo, após o fechamento da ranhura devido aos golpes com a concha no aparelho de Casagrande.

9 Figura 6.2 - Aparelho de Casagrande utilizado nos ensaios de limite de liquidez (Foto de Viana, 2011) Figura 6.3 - As 3 (três) fases do ensaio LL (limite de liquidez) 6.2.3 Principais equipamentos utilizados no ensaio de limite de liquidez Os principais equipamentos utilizados no ensaio de limite de liquidez são: a) Estufa com termostato regulador, capaz de manter a temperatura entre 105 e 110 o C; b) Cápsula de porcelana com aproximadamente 120 mm de diâmetro; c) Espátula de lâmina flexível com aproximadamente 80 mm de comprimento e 20 mm de largura; d) Aparelho de Casagrande para realização de ensaio LL, completo com: cinzel de ranhura, e gabarito para verificação da altura de queda da concha;

10 e) Balança que permita pesar nominalmente 200 g, com resolução de 0,01 g; e f) 7 cápsulas pequenas de alumínio, com aproximadamente 3 cm de diâmetro, para determinação de umidade. OBS. Além do solo, para realização do ensaio é necessário água destilada. Portanto, o laboratório deverá possuir um destilador de água. 6.2.4 Padronização do ensaio de limite de liquidez A norma utilizada para o ensaio é a NBR 6459 (1984) da ABNT, intitulada: Solo - determinação do limite de liquidez. 6.3 Ensaio limite de plasticidade do solo 6.3.1 Introdução ao ensaio limite de plasticidade Limite de plasticidade é o teor de umidade correspondente à fronteira entre o estado plástico e o estado semi-sólido do solo. OBS(s). a) Estado plástico é estado no qual o material pode ser moldado sem variações significativas de volume; e b) Estado semi-sólido é o estado no qual o solo apresenta aparência de sólido (não pode ser moldado), mas ainda sofre variações volumétricas ao ser secado. 6.3.2 Principais procedimentos do ensaio de limite de plasticidade O ensaio de limite de plasticidade possui as seguintes características: i) No ensaio, utiliza-se solo úmido passante na peneira n. o 40; ii) O ensaio baseia-se na determinação do teor de umidade de pequenos rolinhos de 3 mm de diâmetro moldados com a mão; iii) Inicialmente, molda-se um rolinho de solo; Se o rolinho alcançar 3 mm de diâmetro e não se fragmentar, deve-se amassar o rolinho de solo úmido, e fazer um novo rolinho; iv) Então, durante o ensaio, se o rolinho ao alcançar 3 mm de diâmetro e se fragmentar por perda de umidade, o rolinho deve ser transferido para uma cápsula para determinação do teor de umidade solo; v) Bem, são moldados um mínimo de 3 (três) rolinhos, como descrito anteriormente, os quais têm seus teores de umidade determinados; e vi) Finalmente, o valor do limite de plasticidade do solo é obtido pela média de pelo menos 3 (três) determinações do teor de umidade, que são obtidas a partir dos rolinhos.

11 OBS(s). a) Devem-se considerar satisfatórios os valores dos teores de umidade obtidos no ensaio quando: em pelo menos três determinações, nenhum dos teores de umidade diferir do teor de umidade médio em mais de 5%; e b) O comprimento dos rolinhos de solo é aproximadamente 100 mm (10 cm). 6.3.3 Principais equipamentos utilizados no ensaio limite de plasticidade Os principais equipamentos utilizados no ensaio de limite de plasticidade são: a) Estufa com termostato regulador, capaz de manter a temperatura entre 105 e 110 o C; b) Cápsula de porcelana com aproximadamente 120 mm de diâmetro; c) Espátula de lâmina flexível, com aproximadamente 80 mm de comprimento e 20 mm de largura; d) Balança que permita pesar 200 g, com resolução de 0,01 g; e) Placa de vidro com face esmerilhada, com cerca de 30 cm de lado; f) Gabarito cilíndrico de comparação, com 3 mm de diâmetro com cerca de 100 mm de comprimento; e g) 5 cápsulas de alumínio pequenas, com aproximadamente 3 cm de diâmetro, para determinação de umidade. OBS. Além do solo, para realização do ensaio é necessário água destilada. Portanto, o laboratório deverá possuir um destilador de água. A Figura 6.4 ilustra a moldagem de um pequeno rolo para determinação do limite de plasticidade (LP). Figura 6.4 - Moldagem de um pequeno rolo para determinação do limite de plasticidade (LP) (Foto de Viana, 2011)

12 6.3.4 Padronização do ensaio de limite de plasticidade A norma utilizada para o ensaio é a NBR 7180 (1984) da ABNT, intitulada: Solo - determinação do limite de plasticidade. 6.4 Ensaio limite de contração 6.4.1 Introdução ao ensaio limite de contração Limite de contração é o teor de umidade correspondente à fronteira entre o estado semi-sólido e o estado sólido do solo. OBS(s). a) Estado semi-sólido é o estado no qual o solo apresenta aparência de sólido (não pode ser moldado), mas ainda sofre variações volumétricas ao ser secado; e b) Estado sólido é o estado em que o solo não pode ser moldado com as mãos, nem apresenta variações volumétricas ao ser secado (ou ao perder água). 6.4.2 Principais procedimentos do ensaio de limite de contração O ensaio de limite de contração possui as seguintes características: i) Inicialmente, toma-se uma amostra de cerca de 50 g de solo passado na peneira n. o 40 (#, malha, 0,42 mm); ii) Prepara-se a amostra de solo, de modo que a amostra possua um teor de umidade correspondente a 10 golpes do aparelho de Casagrande; iii) Toma-se uma parte da amostra de solo para determinar o teor de umidade (W); iv) Em seguida, parte do solo úmido da amostra é colocado em um recipiente de volume igual a V 1 ; v) Na sequência, o solo no recipiente de volume V 1 é secado ao ar, e depois secado em uma estufa, onde se forma uma pastilha de solo seco; vi) Após a formação da pastilha, determina-se o peso da pastilha de solo (P S ); vii) Para medir o volume da pastilha de solo seco contraída, emprega-se o método do deslocamento de mercúrio; viii) Então, mergulha-se a pastilha de solo seco num recipiente com mercúrio; Assim sendo, o mercúrio do recipiente é deslocado, pela pastilha seca, para uma cápsula de porcelana; ix) Bem, o volume de mercúrio deslocado, pela pastilha de solo seco, para cápsula de porcelana, é igual ao volume da pastilha de solo (V 2 ). Assim sendo, o volume de mercúrio é recolhido e medido em uma proveta graduada; e

13 x) Finalmente, o limite de contração do solo é determinado pela seguinte equação: V V LC W P 1 2. S W (6.1) em que: LC = limite de contração do solo; W = teor de umidade do solo correspondente a 10 golpes do aparelho de Casagrande; V 1 = volume da cápsula com solo úmido; V 2 = volume da pastilha de solo seco; P S = peso da pastilha de solo seco em estufa; e W = peso específico da água. 6.4.3 Principais equipamentos utilizados no ensaio limite de contração Os principais equipamentos utilizados no ensaio limite de contração são os que se seguem: a) Cápsula de moldagem da pastilha; b) Placa de vidro com pinos; c) Recipiente para imersão da pastilha; d) Balança que permita pesar 200 g, com resolução de 0,01 g; e) Cápsula de alumínio para determinação da umidade; f) Cápsula de porcelana; g) Mercúrio; h) Espátula metálica; i) Aparelho de Casagrande; j) Placa de vidro com pinos para mergulhar a pastilha de solo; l) Proveta graduada; e m) Estufa com termostato regulador, capaz de manter a temperatura entre 105 e 110 o C. OBS. O volume da pastilha de solo seco, também pode ser determinado com base no peso específico do mercúrio da seguinte forma: P V2 DHg em que: V 2 = volume da pastilha de solo seco; P DHg = peso de mercúrio deslocado; e Hg = peso específico do mercúrio = 13,6 g/cm 3. Hg (6.2) A Figura 6.5 ilustra o esquema para determinação do volume da pastilha de solo no ensaio LC, quando a pastilha de solo seco é mergulhada no recipiente de imersão da pastilha.

14 Figura 6.5 - O esquema para determinação do volume da pastilha de solo no ensaio LC, quando a pastilha de solo seco é mergulhada no recipiente de imersão da pastilha OBS. O ensaio limite de contração é importante na identificação de solos expansivos. De acordo com Maciel Filho (2007), os solos expansivos apresentam a seguintes características: LL (limite de liquidez) > 30%, IP (Índice de plasticidade) > 12%, e LC (limite de contração) > 8%. 6.4.4 Padronização do ensaio de limite de contração A norma utilizada para o ensaio limite de contração é a NBR 7183 (1984) da ABNT, intitulada: Solo - determinação do limite e relação de contração do solo. Referências Bibliográficas ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6459. Solo - determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro. 1984. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7180. Solo - determinação do limite de plasticidade. Rio de Janeiro. 1984. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7183. Solo - determinação do limite e relação de contração do solo. Rio de Janeiro. 1984. BUENO, B. S.; VILAR, O. M. Mecânica dos solos. Apostila 69. Viçosa - MG: Universidade Federal de Viçosa, 1980. 131p. CAPUTO, H. P. Mecânica dos solos e suas aplicações (fundamentos). Vol. 1. 6. ed., Rio de Janeiro - RJ: Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., 2007. 234p. (Bibliografia Principal) MACIEL FILHO, C. L. Introdução à Geologia de Engenharia. 3 ed. Santa Maria - RS: Universidade Federal de Santa Maria, 2007. 307p.

NOGUEIRA, J. B. (2001) Mecânica dos solos - Ensaios de laboratório. São Carlos - SP: Escola de Engenharia de São Carlos - USP. 248p. VIANA, H. M. F. Fotos dos equipamentos dos ensaios LL e LP tiradas no laboratório de Geotecnia da Faculdade de Tecnologia e Ciências de Vitória da Conquista - BA. 2011. 15