ESTUDOS PRELIMINARES

São apresentadas na Tabela 2.1 algumas publicações pertinentes relativas ao estudo das alterações dos parâmetros geotécnicos do solo devido às reações eletroquímicas desenvolvidas durante a eletrocinética. Neste trabalho, essas alterações foram estudadas em dois solos cauliníticos, em especial as mudanças nos limites de Atterberg e na resistência ao cisalhamento dos solos.

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Com exceção de Bjerrum et al. (1967), que trata da técnica utilizada em campo, os documentos expostos concernem a utilização da eletrocinética em laboratório. Cabe ressaltar que as publicações apresentadas na Tabela destacam especialmente as variações nos limites de Atterberg e na resistência ao cisalhamento do solo, decorrentes principalmente das trocas iônicas e da precipitação de elementos químicos em pH básico. Na aplicação da eletrocinética relatada por Bjerrum et al.

(1967), as alterações na resistência ao cisalhamento do solo ocorreram devido às reações eletroquímicas e às variações nos teores de umidade do solo. Em alguns casos apresentados, foram utilizadas soluções químicas específicas que potencializam os efeitos eletroquímicos da técnica e, em outras situações, a solução utilizada foi água e ainda assim ocorreram alterações nas características geotécnicas do solo.

A despeito dos diversos estudos concernindo os efeitos eletroquímicos no solo durante a eletrocinética, é notável que as alterações nas características geotécnicas dos solos variaram caso a caso. Por essa razão, dada a complexidade dos processos físico-químicos e elétricos e a variabilidade dos seus efeitos nos parâmetros geotécnicos de cada solo, precedendo a aplicação da eletrocinética em campo, uma investigação laboratorial da eletrocinética que reproduza adequadamente as condições previstas no projeto é imprescindível para uma melhor compreensão do comportamento do solo durante a aplicação da técnica.

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Tabela 2.1 – Publicações pertinentes sobre o tema

Autores e ano da publicação

Solo ou argilomineral

predominante Eletrodos Gradiente

elétrico Duração Solução utilizada Ensaios pós EK Observações pós EK

BJERRUM et al., 1967¹ Argila sensível

norueguesa Barras de aço 0,2 V/cm 30 dias - não mudou. Diminuição da sensibilidade no anodo e no meio.

Limite de liquidez aumentou no anodo e limite de plasticidade não mudou.

GRAY E SCHLOCKER, 1969

2 solos artificiais e 1 natural compostos liquidez diminuiu principalmente no anodo e no outro os efeitos foram muito

Aumento da resistência próximo ao catodo.

ABDULLAH E AL-ABADI, diminuiu e o ângulo de atrito aumentou.

AHMAD et al., 2011 Solo tropical caulinítico Titânio 6 V/cm 7 dias catodo com cloreto de alumínio.

Diminuição da resistência no anodo com

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Tabela 2.1 – Publicações pertinentes sobre o tema (continuação)

JEYAKANTHAN et al., 2011

Solo argiloso natural

australiano Cobre 0,4 V/cm

4 dias, 13 dias e 15

dias

Água Adensamento

A tensão de sobreadensamento aumentou no anodo e no meio. No catodo não foram

silicato de cálcio Penetração do cone

Cloreto de cálcio: aumento da resistência

Na utilização de eletrodos de cobre e ferro, íons Fe³⁺ e Cu²⁺ substituíram o Na+

trocável da argila, principalmente no anodo.

1Técnica aplicada em campo

2O gradiente elétrico aplicado variou enquanto a densidade de corrente manteve-se entre 1 mA/cm² e 5 mA/cm²

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3. METODOLOGIA

A metodologia empregada na investigação dos parâmetros geotécnicos dos solos consistiu na sua caracterização física e na determinação dos parâmetros de resistência das amostras. De forma a possibilitar o estudo dos efeitos da técnica eletrocinética nas propriedades do solo, os ensaios foram realizados em duas situações: com o solo na condição original – sem submetê-lo ao ensaio eletrocinético – e após a aplicação da eletrocinética nas amostras.

A compreensão do comportamento elétrico do solo durante os ensaios eletrocinéticos – denominados ensaios EK – e os mecanismos intervenientes na quantidade de fluxo eletro-osmótico extraído exigiram a caracterização química e mineralógica das amostras. Além disso, a determinação do referido “tempo de equalização” envolveu medições sucessivas do pH dos solos.

Serão descritos nos tópicos seguintes a metodologia empregada na caracterização dos solos antes e após a eletrocinética, na caracterização química e mineralógica, além dos procedimentos utilizados durante os ensaios EK propriamente ditos.

3.1. SOLOS ESTUDADOS

Foram estudados dois tipos de solos. O primeiro foi um caulim tratado, utilizado por Lima (2013) e fornecido pela empresa Brasil Minas Ltda. A especificação técnica do caulim é apresentada no Anexo I. Os ensaios no caulim, por ser um solo cuja composição e comportamento são bem conhecidos, foram fundamentais para uma melhor compreensão dos resultados obtidos com o segundo tipo de solo, proveniente da região de Triunfo/Rondônia, cujo comportamento é muito mais complexo e imprevisível. Além disso, o caulim é composto principalmente por caulinita, principal argilomineral presente no solo de Triunfo.

O solo de Rondônia foi cedido na ocasião da elaboração de um estudo para projeto de eletrodos de aterramento, em 2012, realizado pela professora Dr.^a Maria Claudia Barbosa, através da Fundação COPPETEC (BARBOSA, 2012). As amostras indeformadas de solo foram coletadas com amostradores tipo Denison, com aproximadamente 60 cm de comprimento e diâmetro interno com cerca de 7,5 cm.

Foram selecionadas 5 amostras para estudo e o critério de seleção das amostras foi a profundidade, preferindo-se as amostras mais superficiais. A identificação das

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amostras utilizada por Barbosa (2012) foi simplificada e está apresentada na Tabela 3.1, bem como a descrição da camada e a sua profundidade.

Tabela 3.1 – Amostras disponíveis do solo de Triunfo/RO

1Identificação utilizada por Barbosa (2012)

É importante ressaltar que, embora provenientes da mesma região, o solo estudado apresenta camadas de sedimentos de textura e coloração variada, e mesmo dentro de uma mesma amostra, é possível observar a heterogeneidade do solo. Por exemplo, inicialmente uma amostra localizada imediatamente abaixo da amostra 201 havia sido selecionada para o ensaio eletrocinético, mas, ao ser retirada a parafina da sua extremidade, notou-se um solo granular em uma das pontas do amostrador, com coloração amarela e baixa coesão (Figura 3.1), completamente distinto do observado nas demais amostras, que apresentavam coloração predominantemente marrom avermelhado e cinza e coesão pronunciada. Por esse motivo, o amostrador foi fechado novamente com parafina e decidiu-se utilizar a amostra 201, com coloração e textura semelhante ao restante das amostras. O perfil de sondagem e a posição das amostras selecionadas em cada furo são apresentados na Figura 3.2.

Figura 3.1 – Aspecto das amostras 201 (a) e amostra imediatamente acima (b) Identificação

antiga¹

Identificação

adotada Prof. (m) Descrição tátil-visual T01 AM02 101 6,41 - 7,02 Silte argiloso, com areia fina, cinza T01 AM03 102 15,00 - 15,61 Silte argiloso, com areia fina, cinza e marom T02 AM01 201 6,00 - 6,61 Silte argiloso, com areia fina, cinza e marrom

arroxeado

T02 AM04 202 18,61 - 19,22 Silte argiloso, com areia fina, com pedregulho fino a médio, marrom variegado T04 AM02 301 14,00 - 14,61 Silte argiloso, com areia média, com

pedregulho fino, roxo amarronzado e cinza

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Figura 3.2 -Perfis de sondagem da região de Triunfo/RO, nos trechos de interesse para a pesquisa

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3.2. PLANO DE ENSAIOS

Foram realizados 7 ensaios eletrocinéticos com o caulim, o primeiro anterior à nova configuração da célula eletrocinética, com eletrodos de aço inox nas extremidades dos tanques, e o restante já com a nova configuração, com eletrodos de DSA® e localizados próximos ao solo. A Tabela 3.2 apresenta o plano de ensaios do caulim.

Os primeiros dois ensaios foram oportunos para a avaliação da viabilidade dos procedimentos a serem adotados nos ensaios procedentes. As amostras caulim 3 e caulim 4 foram escolhidas para a determinação do tempo de equalização do caulim. O restante das amostras foi utilizado para a avaliação da variação dos parâmetros geotécnicos do solo após a eletrocinética.

Como foram utilizados o mesmo caulim e a mesma solução em todos os ensaios, os ensaios pré EK são comuns a todas as amostras de caulim.

Tabela 3.2 – Plano de ensaios do caulim

Amostra Ensaios pré EK Ensaios pós EK Objetivo Caulim 1 e limites de Atterberg¹,

pH, Eh e CEE

Avaliação da variação dos parâmetros geotécnicos

1Não foram determinados, após a eletrocinética, no caulim 7

Todos os ensaios com o solo de Triunfo foram realizados com a nova configuração da célula e os novos eletrodos. As amostras 202 e 301 foram selecionadas para a determinação do tempo de equalização. As amostras restantes, ou seja, 101, 102 e 201, foram escolhidas para a avaliação da variação dos parâmetros geotécnicos do solo.

A Tabela 3.3 resume os ensaios realizados em cada amostra, sem submeter o solo ao procedimento eletrocinético e após o ensaio eletrocinético.

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Tabela 3.3 – Plano de ensaios das amostras de Triunfo Amostra Ensaios pré EK Ensaios pós EK Objetivo

202

Densidade real dos grãos, granulometria,

Limites de Atterbeg, pH, Eh¹, CEE¹, cisalhamento direto² e

adensamento²

1Não foi determinado nas amostras 202 e 301a

2Não foi realizado o ensaio na amostra 301

3Na amostra 301b também foram determinados o Eh e a CEE antes e após o EK

3.2.1. Determinação do tempo de equalização

O tempo de equalização foi determinado com base na variação do pH da solução intersticial do solo ao longo do tempo, após terminado o ensaio eletrocinético. Dessa forma, findado o ensaio, o solo era extraído do cilindro com o auxílio de um pistão (Figura 3.3a) e seccionado longitudinalmente, de forma a não interromper o movimento dos íons e as reações físico-químicas ao longo da amostra, conforme a Figura 3.3b. Após seccionada longitudinalmente, uma das porções era dividida transversalmente em outras três partes, denominadas “anodo”, “meio” e “catodo”, para determinação imediata do pH (Figura 3.3c). A outra porção era então embalada em um plástico filme de PVC, guardada em um recipiente com tampa que era colocado na câmara úmida (Figura 3.3d). Após 14 dias, a porção restante era retirada da câmara úmida e, assim como a primeira porção, dividida em três fatias para determinação do pH 14 dias após o ensaio eletrocinético.

Cabe ressaltar que, inicialmente, estabeleceu-se que o solo seria dividido em três porções longitudinais, com leituras do pH imediatamente após o ensaio, 7 dias depois e 14 dias após o ensaio eletrocinético. Esse procedimento foi realizado na amostra 202, mas a quantidade de solo não foi suficiente para a medição do pH no “anodo”,

“meio” e “catodo” nas porções 1 e 2, sendo possível apenas a sua medição na terceira porção. A partir de então, o solo foi seccionado em apenas duas porções longitudinais e cada uma foi dividida em três fatias, imediatamente após o ensaio e 14 dias depois, para a determinação do pH em cada fatia, conforme esquematizado na Figura 3.4.

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Figura 3.3 – Sequência de extração, fatiamento e armazenamento da amostra 301b a) Pistão para extração da amostra; b) amostra fatiada longitudinalmente; c) primeira fatia cortada transversalmente para medição do pH; d) segunda fatia armazenada na câmara úmida

Figura 3.4 – Esquema de fatiamento do solo para ensaios de equalização

3.2.2. Análise dos parâmetros geotécnicos

A análise dos parâmetros geotécnicos foi realizada comparando-se a resistência ao cisalhamento do solo e os limites de Atterberg sem eletrocinética e após o ensaio eletrocinético. Dessa forma, anteriormente ao procedimento eletrocinético, foram realizados ensaios de cisalhamento direto no solo de Triunfo e ensaios de palheta miniatura no caulim, além de determinação dos limites de liquidez e plasticidade.

Após o ensaio EK, a amostra dentro do cilindro era embalada em filme de PVC e deixada na câmara úmida durante o tempo de equalização estabelecido. Passado esse período, novamente eram realizados ensaios de resistência ao cisalhamento nas amostras. Com o restante do solo, eram feitas determinações dos teores de umidade e limites de Atterberg. Todos os ensaios foram realizados nas posições “anodo”, “meio”

e “catodo” e são detalhados na seção 3.7.

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3.2.3. Repartição das amostras de Triunfo, RO

As amostras provenientes de Rondônia foram divididas em três trechos, independentemente se o objetivo dos ensaios era o estabelecimento do tempo de equalização ou a análise das alterações dos parâmetros geotécnicos do solo.

O amostrador possuía aproximadamente 60 cm de comprimento. As extremidades, por estarem preenchidas com parafina, eram descartadas. O tubo era então seccionado em duas partes de 20 cm e uma terceira parte menor, com o solo restante.

As amostras 202 e 301, selecionadas para determinação do tempo de equalização, foram seccionadas conforme a Figura 3.5. A amostra 202 foi a primeira a ser extraída do amostrador Denison e, para a certificação de que os procedimentos adotados para extração e moldagem do solo eram adequados, decidiu-se pela realização de ensaios de adensamento, cisalhamento direto, pH e caracterização dos solos com uma parte da amostra, sendo a segunda parte utilizada para a realização do ensaio eletrocinético.

A amostra 301 foi dividida distintamente da anterior, sendo realizados dois ensaios eletrocinéticos no solo para a determinação do tempo de equalização e, com o trecho auxiliar, foi feita a sua caracterização.

Figura 3.5 – Divisão das amostras para determinação do tempo de equalização

As amostras selecionadas para a avaliação das alterações dos parâmetros geotécnicos do solo foram todas divididas da mesma forma: uma parte foi selecionada para os ensaios de resistência ao cisalhamento do solo, adensamento, pH e caracterização e a outra para realização do ensaio eletrocinético, de cisalhamento direto pós EK, pH pós EK e caracterização pós EK. O esquema da repartição das amostras está apresentado na Figura 3.6.

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Figura 3.6 - Divisão dos amostradores - avaliação dos parâmetros geotécnicos

3.3. ENSAIOS REALIZADOS ANTES DA ELETROCINÉTICA

Tanto no caulim quanto nas amostras de Triunfo, antes da eletrocinética foi realizada a caracterização geotécnica do solo e a caracterização química do fluido intersticial.

A determinação do limite de liquidez foi feita segundo a ABNT NBR 6459:1984, do limite de plasticidade de acordo com a ABNT NBR 7180:1984, do teor de umidade segundo a ABNT NBR 6457:1986 e da granulometria de acordo com a ABNT NBR 7181:1984. Toda a caracterização geotécnica, determinação do pH, potencial redox e condutividade elétrica específica foi realizada nos laboratórios do setor de Geotecnia da COPPE.

3.3.1. Caulim

A caracterização da solução intersticial do caulim foi realizada através de medições do pH, potencial redox (Eh) e condutividade elétrica específica (CEE). O fluido foi extraído com o auxílio de um pistão (Figura 3.7) e uma prensa, aplicando-se uma tensão no solo para expulsão da água dos seus vazios.

Figura 3.7 – Pistão utilizado para extração do líquido intersticial do solo

As leituras do pH e do Potencial Redox foram realizadas através de analisador Analion modelo PM606F. Os eletrodos utilizados para as leituras de pH e Potencial Redox

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foram, respectivamente, da marca Analion de vidro combinado, modelo V620 e eletrodo redox de platina combinado, modelo ROX674. A leitura da condutividade elétrica foi feita através do condutivímetro Oakton, modelo PC 300.

A moldagem dos corpos-de-prova do caulim para o ensaio de adensamento e de resistência não drenada foi realizada com o solo nas mesmas condições em que foram feitos os ensaios eletrocinéticos no caulim 3, caulim 4, caulim 5, caulim 6 e caulim 7. A moldagem será apresentada na seção 3.5.

A resistência ao cisalhamento não drenada do caulim foi medida através de ensaios de palheta miniatura e foi calculada considerando-se a relação entre a altura da palheta e o seu diâmetro igual a 2. Assumindo-se a superfície de ruptura cilíndrica e a distribuição de tensões cisalhantes retangular, a resistência pode ser expressa através da Equação 3.1 (ABNT NBR 10905:1989).

67= 0,86. < . ⁼ (3.1)

Na Equação 3.1, Su é a resistência não drenada do solo (F.L^-²), T é o torque (F.L) e D o diâmetro da palheta (L).

3.3.2. Amostras de Triunfo, RO

Além dos ensaios convencionais de granulometria, segundo a norma, em todas as amostras de Rondônia optou-se pela realização de análises granulométricas sem defloculante, deixando 40 g de solo, após o peneiramento grosso, imerso em água destilada por pelo menos 12 horas. O solo era então colocado no dispersor e era realizada a sua sedimentação, conforme a ABNT NBR 7181:1984. A medição do pH, CEE e Eh das amostras de Triunfo era realizada da mesma maneira que no caulim.

Nas amostras 101, 102 e 201 foram realizados ensaios de cisalhamento direto dos solos. O ensaio de cisalhamento direto fornece a envoltória de resistência do solo, permitindo assim a comparação desses valores iniciais com os resultados de resistência obtidos após a aplicação da técnica eletrocinética. Como os moldes utilizados apresentavam dimensões de 4 cm x 4 cm x 2,5 cm, foi possível a moldagem das amostras cravando-os no amostrador.

Para moldagem dos corpos de prova de cisalhamento direto e adensamento, realizou-se um corte longitudinal no amostrador para alívio do confinamento e duas

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abraçadeiras foram posicionadas nas suas extremidades, fixando um segmento metálico que foi encaixado acima do corte longitudinal, evitando fuga do solo. Os moldes foram então posicionados acima do amostrador e empurrados manualmente para o seu interior. Na moldagem dos anéis de adensamento, o molde foi empurrado utilizando-se a prensa, como apresentado na Figura 3.8a. Para extrusão do anel com solo de dentro do amostrador, um colarinho foi encaixado na parte superior do amostrador e o conjunto era colocado na prensa, conforme a Figura 3.8b. Finalmente, após extrusão do anel, as suas superfícies foram ajustadas e o solo era rasado (Figura 3.8c).

Figura 3.8 – Cravação do molde, extrusão e acabamento (amostra 102) a) moldagem do corpo de prova no anel de adensamento; b) extrusão do anel após

moldagem; c) acabamento do solo no anel de adensamento

Os ensaios de adensamento e de cisalhamento direto foram realizados com o solo saturado. O ensaio de cisalhamento direto foi realizado a uma velocidade de 0,0439 mm/min, suficientemente lenta para que ocorresse a drenagem do solo. A velocidade máxima do ensaio, designada por vmáx (L.T^-1), pode ser estimada conforme a norma americana ASTM D 3080, segundo a Equação 3.2, onde df é o deslocamento horizontal na ruptura (L) e tf é o tempo até a ruptura (T).

> = )^?@_? (3.2) A norma americana sugere a adoção do valor de df como 12 mm para solos finos normalmente adensados e levemente sobreadensados ou 5 mm para os demais

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ensaios de cisalhamento direto para as respectivas amostras. O tempo em que ocorre 50% do adensamento primário adotado foi então o da amostra 202, com t50

aproximadamente igual a 0,60 minutos. Portanto, utilizando-se as Equações 3.2 e 3.3 e considerando df = 5 mm, a velocidade máxima do cisalhamento direto deve ser 0,167 mm/minuto, muito superior à velocidade utilizada de 0,0439 mm/min, garantindo-se assim a drenagem do corpo-de-prova.

O peso específico natural do solo foi estimado através dos valores calculados no Relatório para projeto de eletrodos de aterramento (BARBOSA, 2012) de amostras pertencentes ao mesmo furo e a profundidades semelhantes, possibilitando a estimativa das tensões de campo e o planejamento das tensões utilizadas nos ensaios de cisalhamento direto. Após a realização dos ensaios eletrocinéticos, ϒn e as tensões de campo foram novamente calculados (ϒn_EFGE e tensão calculada de campo). Para o cálculo das tensões efetivas de campo, ϒsat foi considerado aproximadamente igual à ϒn e os valores são apresentados na Tabela 3.4.

Tabela 3.4 – Tensões normais aplicadas nos ensaios de cisalhamento direto

Amostra Profundidade NA (m)

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As tensões normais efetivas aplicadas nos ensaios de cisalhamento direto foram escolhidas tendo como referência a tensão efetiva de campo aproximada de cada amostra, selecionando-se assim uma tensão maior que a de campo, uma tensão próxima à de campo e uma inferior à tensão a que o solo estava submetido no campo.

3.4. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E MINERALÓGICA

Durante a execução dos ensaios eletrocinéticos, decidiu-se pela realização de ensaios para a caracterização química e mineralógica das amostras, almejando-se a compreensão do comportamento do solo quando submetido ao procedimento eletrocinético (e.g., variação do pH, fluxo eletro-osmótico). Esses ensaios foram realizados sobretudo nas amostras de Triunfo, cujo comportamento foi bastante particular. Dessa maneira, foram efetuados ensaios de capacidade de troca de cátions, ataque sulfúrico, capacidade tampão do solo, difração de raios X, determinação do ponto de carga zero e fluorescência de raios X.

3.4.1. Capacidade de troca de cátions e ataque sulfúrico

As análises de capacidade de troca de cátions do solo de Triunfo e o ataque sulfúrico foram baseados no Manual de Métodos de Análise de Solo da Embrapa (1997). No caulim, a capacidade de troca de cátions foi estimada pelo método Azul de Metileno.

As análises foram realizadas no laboratório de Química do setor de Geotecnia da COPPE.

3.4.2. Capacidade tampão do solo

A capacidade tampão do solo refere-se à sua capacidade de resistir às variações de pH. O ensaio de determinação da capacidade tampão do solo foi feito em todas as amostras de Rondônia, seguindo o procedimento de Yong et al. (1990) para a parte ácida da curva “pH versus concentração”. A parte básica da curva foi traçada com base no procedimento de Yeung et al. (1997) e Yong et al. (1990). Os ensaios foram realizados no laboratório de Química da COPPE.

Para a construção do gráfico de capacidade tampão, preparou-se soluções de ácido nítrico (HNO3) e hidróxido de sódio (NaOH) a concentrações crescentes, variando de 0 até 0,2 mol/L. Media-se então o pH das soluções (valores “brancos”), que eram em seguida adicionadas ao solo na proporção 1:10, utilizando-se 4 g de solo seco ao ar (Figura 3.9a) e 40 mL de solução (Figura 3.9b). Os frascos eram colocados em um

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agitador durante 24 h (Figura 3.9c), para então serem centrifugados (Figura 3.9d).

Após a centrifugação, o pH de cada solução era medido novamente.

Figura 3.9 – Sequência de realização da capacidade tampão da amostra 301 a) pesagem do solo; b) adição da solução a diferentes concentrações; c) agitação do

Figura 3.9 – Sequência de realização da capacidade tampão da amostra 301 a) pesagem do solo; b) adição da solução a diferentes concentrações; c) agitação do

No documento Rio de Janeiro (páginas 43-176)