UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
RONALDO VARGAS LOPES
ANÁLISE DA ERODILIDADE DA MISTURA SOLO-CAL APLICADA
ÀS ESTRADAS RURAIS
Sinop
2017/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
RONALDO VARGAS LOPES
ANÁLISE DA ERODILIDADE DA MISTURA SOLO-CAL APLICADA
ÀS ESTRADAS RURAIS
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof.ª Orientadora: Ana Elza Dalla Roza.
Sinop
2017/2
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Quantidade de Amostras a serem confeccionadas 30 Tabela 2 – Estimativa de custos para realização do projeto 35
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Início da formação de costelas na Estrada Nanci. ... 15
Figura 2 Trecho da Estrada Nanci com presença de buracos... 16
Figura 3 - Trilho de roda, somado com a presença de buracos, localizado na Estrada Nanci. ... 17
Figura 4: Erosão por splash. ... 19
Figura 5 – Esquema do equipamento de Inderbitzen do LMS/UFGS. ... 21
Figura 6 – Equipamento de Inderbitzen montado. ... 22
Figura 7 – Equipamento de Inderbitzen Modificado. ... 22
Figura 8 – Diferença entre o solo não-tratado e o solo tratado com adição de cal. ... 24
Figura 9: Exemplos de curvas características do método físico-químico. ... 26
Figura 10: Localização da Estrada Nanci. ... 27
Figura 11 - Início da Estrada Nanci. ... 27
Figura 12 – Slaking Test. ... Erro! Indicador não definido. Figura 13: Ensaio de desagregabilidade. ... Erro! Indicador não definido. Figura 14 – molde de PVC utilizado para confecção dos corpos de prova. ... 31
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas CNT – Confederação Nacional do TransporteNLA – National Lime Association (Associação Nacional (Estadunidense) da Cal)
SNV – Sistema Nacional de Viação
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Análise da erodibilidade da mistura solo-cal aplicada às estradas rurais.
2. Tema: Engenharia Civil (30100003)
3. Delimitação do Tema: Geotécnica (30103002); Rodovias Projeto e Construção (30105048)
4. Proponente(s): Ronaldo Vargas Lopes 5. Orientador(a): Ana Elza Dalla Roza
6. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT, campus de Sinop
7. Público Alvo: Profissionais da área e alunos de Engenharia Civil
8. Localização: Avenida dos Ingás, nº 3001, Jardim Imperial, Sinop-MT, CEP 78555-000.
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... I LISTA DE FIGURAS ... II LISTA DE ABREVIATURAS ... III DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... IV 1 INTRODUÇÃO ... 7 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 9 3 JUSTIFICATIVA... 10 4 OBJETIVOS ... 12 4.1 OBJETIVO GERAL ... 12 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 12 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 13 5.1 ESTRADAS RURAIS ... 13
5.1.1 Principais defeitos nas estradas rurais ... 14
5.1.1.1 Corrugações ... 14 5.1.1.2 Buracos ... 15 5.1.1.3 Poeira ... 16 5.1.1.4 Trilhos de roda ... 16 5.2 EROSÃO DO SOLO ... 17 5.2.1 Erosão pluvial ... 18 5.2.1.1 Efeito splash ... 18 5.2.1.2 Escoamento superficial ... 19
5.2.2 Equação Universal das Perdas de Solos ... 20
5.2.3 Ensaio de Inderbitzen ... 20
5.3 ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS ... 23
5.3.1 Estabilização química ... 23
5.3.1.1 Mistura solo-cal ... 24
5.3.1.2 Método físico-químico de dosagem ... 25
6 METODOLOGIA ... 27 6.1 MATERIAIS ... 27 6.1.1 Solo ... 27 6.1.2 Cal ... 28 6.2 MÉTODOS ... 28 6.2.1 Ensaios de Caracterização ... 28 6.2.2 Misturas Solo-Cal ... 28 6.2.3 Ensaio de Inderbitzen ... 30
7 RECURSOS MATERIAIS ... 35 8 CRONOGRAMA ... 36 9 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO ... 37
1 INTRODUÇÃO
O modal rodoviário tornou-se vital às economias da maioria dos países no decorrer do século XX com a melhoria e disseminação dos veículos movidos à combustão interna, não sendo tal fato diferente no que concerne à economia brasileira. Segundo dados da CNT (Confederação Nacional de Transportes, 2017), no Brasil 95% do transporte de passageiros e 61,1% do transporte de cargas são efetuados através do modal rodoviário.
Dada essa importância são necessárias medidas que garantam a qualidade das estradas, medidas estas que precisam de atenção maior em relação às estradas não-pavimentadas posto que são as que apresentam maior perda de material por agentes de intemperismo, e que além disso constituem a maior parcela da rede nacional de rodovias (ARRIVABENI, MACHADO e SANT’ANNA. 2016). Segundo o SNV (Sistema Nacional de Viação, 2017) e a CNT (2017) o Brasil conta com uma malha de 1.735.621 km de rodovias, mas somente 212.866 km destes são pavimentados (12,26%) com pavimentos flexíveis ou rígidos em determinado estado de conservação. Além disso, 83% encontram-se sob jurisdição municipal, dos quais apenas o ínfimo percentual de 5,8% apresenta algum tipo de pavimentação, segundo dados disponibilizados pelo SNV (2016). Tal rede de estradas é administrada em um cenário de escassez de recursos e de falta de capacitação da mão-de-obra, o que leva a um parco processo de manutenção, muitas vezes restrita à raspagem para nivelamento, o que leva as mesmas a condições de baixa trafegabilidade sob condições adversas de clima.
A estradas não-pavimentadas constituem o principal elo de ligação entre as comunidades rurais e as concentrações urbanas próximas, tendo importância primária no acesso das mesmas a bens e serviços, além de permitir o escoamento da safra e consumo de insumos (ODA, 1995). Logo, a trafegabilidade das mesmas está diretamente ligada ao desenvolvimento social e econômico das regiões rurais adjacentes.
O principal fator que contribui para a deterioração da qualidade das estradas não-pavimentadas é o fluxo de água, que traz consigo a erosão e perda da capacidade de suporte (formação de barro) e arrastamento de pedaços inteiros do trecho (JOHANNESSEN, 2008).
As principais alternativas para o controle da erosão são o bom planejamento geométrico da pista, com declividades suaves e desaguadouros com capacidade para escoar a água incidente e a garantia de que os solos sejam resistentes. Contudo, muitos solos, são altamente erodíveis, um fato que necessita correção. As alternativas são a retirada do material local e reposição com um material adequado ou a estabilização dos solos locais.
Estabilizar um solo significa adicionar fatores de natureza física ou química que o modifiquem, com a intenção que o mesmo adquira as propriedades desejadas. A estabilização química é a adição de algum material que modifique as propriedades do solo, através de reações químicas, de maneira definitiva (SILVA, 1968 apud ARRIVABENI, MACHADO e SANT’ANNA. 2016). A cal é um dos mais antigos aditivos conhecidos pela humanidade, sendo reconhecida com um agente de ganho de resistência e mudança das propriedades hidráulicas dos solos.
Tendo em vista o acima citado, e levando o cenário de corte nos gastos públicos devido à recente crise, o presente trabalho se propõe a determinar se a adição de cal ao solo apresenta vantagens técnicas no controle da erosão e na melhoria da durabilidade das estradas rurais. Tal avaliação se realizará através da análise dos dados obtidos dos solos tratados com variadas porcentagens de cal submetidos ensaios de Inderbitzen normal e modificado e ensaios de desagregabilidade.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
Segundo Bjørn Johannessen (2008), “As estradas rurais são a ponta final de conexão da rede de transporte, contudo, elas muitas vezes são a mais importante conexão em termos de provimento de conexão para população rural”1. (tradução do autor). Portanto, é possível afirmar que as estradas rurais são essenciais para melhoria na qualidade de vida das populações rurais, pois permitem o trânsito das mesmas em direção aos serviços de saúde, educação, comércio e cultura geralmente concentrados em meios urbanos.
Além de serem essenciais ao desenvolvimento social, as estradas rurais também estão intimamente relacionadas ao desempenho econômico da atividade agropecuária. Oda (1995) ressalta que as estradas rurais (não pavimentadas) no Brasil são o principal meio de escoamento da produção agropecuária. Portanto, a má-manutenção da infraestrutura das estradas rurais leva não somente à piores condições de acesso a serviços, mas também sufoca o desenvolvimento econômico das regiões rurais ao gerar dificuldades no escoamento da produção e na aquisição dos insumos necessários.
Contudo, apesar de seu importante papel em um país com vocação agrícola, as estradas rurais são deixadas em segundo plano pelos formuladores de políticas públicas. Além disso, na maioria dos casos estão sob jurisdição municipal, o que leva a um quadro de escassez de recursos e má-qualificação da mão de obra empregada na sua construção.
Soma-se a isso o fato de que muitas regiões do Brasil, entre elas o Mato Grosso, tem necessidade anual de reparo de suas vias não-pavimentadas, dado os danos causados pelo grande índice pluviométrico concentrado em uma época do ano (outubro a abril). Além disso, tais danos causam prejuízo financeiro aos produtores rurais. Outro problema são os elevados custos de manutenção que incidem sobre as prefeituras, que com dito acima são responsáveis pela manutenção da maior parte das estradas vicinais e que em muitos casos, por má vontade política ou dificuldade financeira, são incapazes de cumprir seu dever.
1 Texto original: Rural roads are the last link of the transport network, however, they often form the most importante connection in terms of providing access for the rural population.
3 JUSTIFICATIVA
Apesar da extensão, as estradas rurais são construídas por pessoas que “aprenderam fazendo” (ODA, 1995). Baesso e Gonçalves (2003, p. XIX), classificam ainda que os atuais processos de manutenção das estradas rurais são “[...] mais arte do que ciência”. As afirmações dos autores implicam que a construção e manutenção das estradas rurais estão sujeitas ao “amadorismo” e a uma implícita falta de cumprimento de requisitos básicos. Tal situação abre a possibilidade de que estradas construídas dessa forma constantemente não se adequem aos diferentes padrões meteorológicos, de inclinação e tipo de solo.
Baesso e Gonçalves (2003), ressaltam ainda que “Os padrões formais quanto a seu tratamento [das estradas não-pavimentadas] não estão em seu meio muito bem consolidados ou estabelecidos”. Ainda segundo Baesso e Gonçalves (2003, p. XIX), tal fato contrasta ainda com a farta disponibilidade de literatura técnica dirigida às estradas de maior hierarquia funcional. Além disso, a pouca bibliografia técnica disponível baseia-se em estudos realizados no exterior, em condições divergentes das brasileiras (ODA, 1995).
Segundo o Maine Department of Environmental Protection (2010), “A erosão do solo é o pior inimigo [...] das estradas de terra”2 (tradução do autor). Apesar de causada por vários fatores, o maior contribuinte para o processo erosivo é a presença de água (Minnessota Local Road Research Board, 2003). Tal presença nociva pode danificar a pista de rolamento de uma estrada rural ao erodir o solo que o constitui, ao fazê-la menos resistente ao cisalhamento, ao depositar sedimentos em suas estruturas de drenagem, ou mesmo ao carregar seções inteiras da pista (JOHANNSSEN, 2008)
A cal tem sido usada há séculos na construção de estradas, geralmente para conferir aumento de resistência a solos empregados na construção de bases e sub-bases de rodovias pavimentadas. No entanto, o seu uso como estabilizante também pode trazer benefícios no controle da erosão. Um estudo realizado por HERRIER et
al, buscou avaliar tanto a erosão interna quanto a externa de solos argilosos, e
mostraram que um solo tratado com um percentual de 2% cal e curado por 14 dias teve seu coeficiente de erodibilidade dividido por 10 e que sua velocidade crítica para
desagregação subiu de 2m/s para 10m/s. O mesmo estudo ainda testou a erosão superficial por splash e chegou à conclusão de que esse tipo de erosão era praticamente nulo em comparação à do solo não-tratado.
Além disso, a NLA (National Lime Association, 2004) afirma que o resultado da mistura solo-cal é um solo com baixa permeabilidade e com ganho de resistência em comparação ao solo não tratado. Azevêdo (2010), por sua vez, afirma que os produtos das reações pozolânicas da cal geram um aumento da resistência do solo contra a ação da água, tanto gerada por chuvas, como também por capilaridade, pois o aumento da coesão do solo faz com que o mesmo se torne menos suscetível. Ainda que o solo-cal seja impermeável, os efeitos da erosão são abrandados pelo fato da passagem da água entre os poros do solo se tornarem mais lentos.
Portanto, indo de acordo com o discorrido acima, o presente estudo pretende analisar o potencial do uso do solo-cal como uma alternativa construtiva para as estradas rurais que ajude a mitigar a erosão e a sua deterioração, permitindo que as mesmas ofereçam durabilidade e qualidade, aliado a uma possível economia de recursos humanos e financeiros.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Determinar os efeitos da cal, usada como estabilizante químico, sobre o índice de erodibilidade de um solo da região de uma estrada rural em Sinop-MT.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Determinar o teor ótimo de cal a ser adicionado ao solo da região da estrada Nanci, através do método de dosagem do físico-químico;
• Determinar a taxa de absorção de água do solo através do método da ABNT NBR 9779 (1995), com as modificações propostas Cruz e Jalili (2010).
• Avaliar a perda de massa de um solo através do ensaio de Inderbitzen; • Avaliar a perda de massa de um solo através do ensaio de Inderbitzen
Modificado;
• Avaliar o índice de erodibilidade para os diferentes teores de cal utilizados.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 ESTRADAS RURAIS
Estradas são definidas como um ente físico no qual as dimensões longitudinais sobrepujam as transversais, sendo seus constituintes referenciados geometricamente como uma linha contínua (BAESSO e GONÇALVES, 2003). As estradas rurais, também chamadas de vicinais, são elementos geográficos presentes em regiões rurais, permitindo a interligação entre localidades (ROSA, 2014).
Neste trabalho, estradas não-pavimentadas são entendidas como aquelas que não passaram por nenhum processo de pavimentação, ou seja, constituídas apenas por materiais granulares (solo e agregados). Sua construção se dá através da retirada da camada orgânica superior, e posterior nivelamento da camada de solo inferior. Oda (1995) afirma que o processo de construção, no geral, utiliza o solo local como seu principal constituinte, com ou sem adição de agregado granular (cascalho, brita, etc.). Geralmente elas são resultado da evolução de trilhas e caminhos que com o passar do tempo passam por melhorias para acomodar um crescente tráfego, levando a um melhor desenvolvimento de suas características geométricas, como seção transversal e sistema de drenagem (ODA, 1995). Não é incomum, com a intenção de evitar cortes e aterros muito grandes ou obstáculos, que seus construtores optem por seguir as curvas naturais do terreno, gerando assim sinuosidades no traçado dessas estradas. Não é incomum que essas estradas apresentem trechos com inclinações altas e que dificultam o trajeto.
Baesso e Gonçalves (2003) propõem a seguinte classificação para as estradas rurais:
• Categoria A: Estradas constituídas por agregados naturais oriundos de jazidas (cascalho, seixos, pedregulhos), e na qual os materiais atendem determinados critérios quanto ao tamanho e composição granulométrica.
• Categoria B: Estradas cuja superfície de rolamento e constituída por materiais britados, quer sejam adicionados como uma camada superior ou incorporados à base, com a intenção de melhorar condições de suporte ou de tráfego.
• Categoria C: Estradas cuja superfície de rolamento é produzida com materiais de jazidas de solos naturalmente estabilizados (saibros), ou de granulometria semelhante, como por exemplo areias e piçarras.
• Categoria D: Estradas pioneiras constituídas por solos oriundos de seu próprio leito natural sem adição de materiais agregados ou outros materiais inertes, podem, contudo, ter passado por melhorias em sua seção transversal.
5.1.1 Principais defeitos nas estradas rurais
Oda (1995) define defeito (nas estradas) como qualquer alteração na superfície de rolamento que gere influências negativas em sua trafegabilidade. Tais defeitos são gerados pela confluência de vários fatores, tais como tráfego, condições climáticas, características geométricas, tipo de solo utilizado na construção do trecho, entre outros. Ainda segundo Oda (1995), os três agentes causadores que exercem esforços deteriorantes no leito são:
• A circulação de veículos, que exercem tensões através de suas rodas, gerando deformações (permanentes ou não) e abrasão da superfície. • A água da chuva, que ao umedecer o solo o torna menos resistente à
deformações, e ao correr pela superfície arranca partículas de solo, transportando-as e depositando-as em outro local.
• Manutenção, ao modificar os perfis do traçado, tanto longitudinalmente quanto transversalmente.
O conjunto desses fatores é o responsável pelo aparecimento de defeitos na superfície de rolamento das estradas não-pavimentadas.
5.1.1.1 Corrugações
Corrugações são um tipo específico de irregularidade, também chamadas de ondulações, costeletas ou costelas de vaca (ODA, 1995). AGUIAR (1963 apud ODA 1995) define as corrugações como ondas transversais ao trajeto, espaçadas entre si entre 0,60m a 1,10m, causadas pelos movimentos vibratórios dos motores, do choque dos veículos sobre o solo, pelo molejo dos carros, bem como por forças de aceleração e frenagem.
Eaton et al (1987) por sua vez define corrugações como uma série de sulcos regularmente espaçados entre si, em sentido perpendicular ao tráfego, geralmente
formando-se em rampas ou curvas, em áreas de aceleração-frenagem, ou em áreas esburacadas, causadas principalmente pelo tráfego e agregados soltos.
Figura 1 – Início da formação de costelas na Estrada Nanci. Fonte: Acervo próprio 2017.
5.1.1.2 Buracos
Buracos, também conhecidos como panelas, são elementos definidos como pequenas depressões em forma de bacia na superfície das estradas, geralmente com diâmetros menores a 100cm. Segundo o Manual Técnico para Conservação e Recuperação do IPT (SANTOS et al., 1985 apud ODA, 1995) tais defeitos são causados pela má-drenagem da plataforma, que leva ao empoçamento de água, o que leva à expulsão contínua de material pelo tráfego. Buracos são mais comuns em estradas constituídas por cascalhos e pedras compactadas do que em estradas de solos finos (HORTA, 1991 apud ODA, 1995).
A severidade da ocorrência de buracos em estradas é classificada por RSMS (1991) como:
• Baixa: profundidade não superior a 2,5 cm e diâmetro não superior a 30cm e menos que 10% da área total da estrada.
• Média: profundidade entre 2,5cm e 5,0cm, diâmetro entre 30cm e 60cm e entre 10% e 30% da superfície da estrada coberta por buracos.
• Alta: buracos com profundidade superior a 7,5cm, diâmetro superior a 60cm e mais de 30% da área da estrada recoberta por buracos.
Figura 2Trecho da Estrada Nanci com presença de buracos. Fonte: Acervo próprio, 2017.
5.1.1.3 Poeira
Nuvens de poeira são causadas pela ação abrasiva do tráfego durante períodos secos, que gera o desprendimento de material constituinte, o que leva à formação de nuvens de poeira perigosas aos veículos e ao meio-ambiente durante a passagem do tráfego (ODA, 1995).
5.1.1.4 Trilhos de roda
São deformações permanentes na superfície do “caminho” do pneu, que levam ao afundamento do mesmo (ODA, 1995). Tais deformações se devem à ação de cargas repetidas pelo tráfego, especialmente durante períodos de chuva, quando a capacidade de suporte é inferior. RIVERSON et al (1987 apud ODA, 1995) trilhas de roda são mais comuns em solos com superfície de solos finos.
Tais trilhas prejudicam o escoamento de água, podendo, se não tratadas, tornar as estradas rurais intrafegáveis.
Figura 3 - Trilho de roda, somado com a presença de buracos, localizado na Estrada Nanci. Acervo próprio, 2017.
5.2 EROSÃO DO SOLO
Os processos erosivos são parte da evolução natural da paisagem e do relevo (SILVA, 2003). Camapum de Carvalho et al. (2006) explicam que a erosão é o processo de desgaste das rochas através da ação da água, vento, gelo ou micro-organismos. Pode ainda ser definida como um processo mecânico, que consiste na desagregação, transporte e deposição das partículas do solo (ELISON, 1974 apud ROTTA, 2012).
O os processos erosivos apesar de naturais podem ser agravados pela ação antrópica. Desse modo, Rotta (2012), propõe que os processos de erosão sejam classificados em naturais e acelerados (pela ação do homem). A erosão natural é definida como se desenvolvendo em um amplo período de tempo, onde os fatores de desgaste do solo se encontram em equilíbrio com os de formação, tendo, portanto, um caráter construtivo. Já a erosão acelerada é aquela que se dá devido à ação antrópica no meio ambiente, gerando um desequilíbrio nos processos de formação-transporte dos solos, ou seja, possuindo caráter destrutivo e lixiviador, acontecendo principalmente pela retirada da vegetação e escavação dos solos.
Apesar de vários fatores influenciarem na erosão, a água é a principal causadora desse fenômeno em estradas rurais (Minnesota Local Road Research,
2003). Tal quadro é agravado em países como o Brasil, com clima predominantemente tropical, onde as chuvas torrenciais são constantes durante boa parte do ano.
Os processos erosivos causados pela água podem ser subdivididos em quatro fases: o impacto das gotas contra o solo, a desagregação das partículas, o arrasto e a deposição. Além disso, quando a precipitação excede a capacidade de absorção do solo, ocorre o escoamento laminar superficial que ao mesmo tempo que carrega as partículas desprendidas pelas gotas de chuva também desprende partículas.
5.2.1 Erosão pluvial
O processo de erosão pluvial é determinado pela duração, distribuição e frequência das chuvas; quanto maiores os valores dessas variáveis, maior a erosão do solo.
O processo de erosão pluvial consiste em três subprocessos: destacamento das partículas pelo impacto das gotas de chuva, também denominado splash; destacamento das partículas pelo atrito gerado pelo escoamento de superfície; e transporte das partículas de solo pelo deflúvio superficial que ocorre nas áreas de contribuição e nos micro-canais que alimentam os canais d’água (RIGHETTO, 1998
apud SOUSA e REIS, 2016).
5.2.1.1 Efeito splash
Pode-se definir o splash como o início do processo de erosão. No momento de impacto com o solo, as gotas de chuva possuem uma determinada energia cinética, da qual uma parte se resumirá em energia de compactação, enquanto outra parte servirá no fracionamento e lançamento de pequenas gotas, careando as partículas de solo desprendido (CAMAPUM DE CARVALHO et al., 2006 apud SOUSA e REIS, 2016).
Figura 4: Erosão por splash. Fonte: Fernades (2011).
Os grãos destacados pelo impacto podem ser carregados para sulcos e microcanais, no caso em que os mesmos possuam energia suficiente. A capacidade de transporte depende da vazão, velocidade do fluxo, declividade, tamanho das partículas, intensidade de turbulência, entre outros (RIGHETTO, 1998 apud SOUSA e REIS, 2016).
5.2.1.2 Escoamento superficial
O escoamento superficial passa a se dar quando a intensidade da chuva supera a capacidade de infiltração do solo. Forma-se então um fluxo superficial difuso na superfície que causa remoção progressiva e uniforme dos horizontes superficiais (BASTOS, 1999 apud KAIBER, 2016).
Segundo Conciani (2008 apud KAIBER 2016), a erosão causada pelo escoamento superficial pode ser dividida em:
• Erosão pluvial por arrastamento: causada pelo carregamento de partículas pela força do fluxo de água.
• Erosão laminar (intersulcos): Guerra (1999 apud Conciani, 2008) afirma que o lençol de água resultante do escoamento superficial após uma chuva raramente apresenta-se com profundidade constante e canas definidos. Depois que o solo está saturado se dá início do processo de escoamento superficial da água no qual a erosão em lençol pode ser interrompida, ou desviada, quando encontra algum obstáculo. Tal processo erosivo se caracteriza em áreas muito extensas onde ocorre a distribuição do desgaste das camadas de solo.
• Erosão linear: Infanti Junior e Fornassi Filho (1998 apud Conciani 2008) definem erosão linear como sendo causada pela junção
de linhas de fluxo d’água oriundas do escoamento superficial que resultam em pequenos sulcos que podem evoluir e acabar tornando-se ravinas. Nas estradas rurais nesse tipo de erosão resulta na formação de pequenos sulcos, conhecidos como costelas.
5.2.2 Equação Universal das Perdas de Solos
A Equação Universal das Perdas de Solo (ULSE, sigla em inglês), é um método empírico desenvolvido por Wischmeier e Smith em 1978 (FAO,1996).
A ULSE é um meio para avaliação das perdas de massa de solo em uma determinada área através de coeficientes que representam os fatores condicionantes dos processos erosivos. A USLE é apresentada abaixo.
𝐴 = 𝑅. 𝐾. 𝐿. 𝑆. 𝐶. 𝑃
Onde:
A = Perda anual prevista de solo (t/há.ano); R = Coeficiente de erosividade da chuva; K = Coeficiente de erodibilidade do solo;
L = Fator relacionado ao comprimento da encosta; S = Fator relacionado à declividade do terreno;
C = Fator relacionado ao tipo de cobertura e uso do solo;
P = Fator determinado pelas práticas de controle de erosão aplicadas.
A USLE apesar de amplamente aceita, destina-se ao cálculo da erodibilidade dos solos em campo. Como o presente trabalho destina-se a obtenção dos índices laboratoriais, a USLE não será utilizada.
5.2.3 Ensaio de Inderbitzen
Também conhecido como erosômetro, o ensaio de Inderbitzen, criado no início da década de 60, foi proposto como uma maneira de mensurar a perda de massa dos solos expostos a fluxos de água em sua superfície. Apesar de não ser normatizado, o Ensaio de Inderbitzen é conhecido por apresentar resultados satisfatórios (FERNADES, 2011).
Tal ensaio e realizado através do uso de um aparelho simples, composto por uma rampa de inclinável com a presença de um orifício circular, no qual amostras de solo são encaixadas e por um reservatório de onde parte o fluxo que escoa pela rampa, atingindo assim a superfície da amostra. A vazão nesse aparelho é ajustada com o uso de um rotâmetro.
Desse modo a amostra fica sujeita a um fluxo laminar em sua superfície, sendo o material carregado coletado, podendo-se assim medir a proporção de massa erodida em relação ao peso inicial, podendo-se assim determinar o seu índice de erodibilidade.
Figura 5 – Esquema do equipamento de Inderbitzen do LMS/UFGS. Fonte: Bastos, (1999).
Figura 6 – Equipamento de Inderbitzen montado. Fonte: Fragassi e Marques. (2001)
No entanto, na realidade, o gotejamento da chuva provoca o efeito splash, que também contribui para o processo de erosão ao arrancar partículas do solo. Com a intenção de tornar o ensaio mais parecido com a realidade, Freire propôs em 2001 o Ensaio de Inderbitzen Modificado, no qual as amostras são submetidas a gotejamento constante. Nesse ensaio pode se arbitrar a inclinação, de modo a simular as diferentes condições de inclinação.
Figura 7 – Equipamento de Inderbitzen Modificado. Fonte: Freire (2001)
5.3 ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS
Um solo estabilizado pode ser definido como aquele onde foram aplicadas medidas que buscam adequá-lo às exigências de projeto no que concerne à sua capacidade de suporte de carga e resistência aos processos erosivos. Segundo Negi (2013), “A estabilização de um solo pode ser definida como a alteração das propriedades de um solo por meios químicos ou físicos com a intenção de melhorar suas qualidades na engenharia” 3 (tradução do autor). Vale ressaltar que em situações onde o solo não corresponde às exigências, pode-se optar pela retirada, aceitação ou modificação do mesmo. Contudo, a retirada do material causa aumento nos custos e maior degradação ambiental, algo a ser evitado.
Os métodos utilizados para estabilização dependem do tipo de solo a ser corrigido, do uso em mente e dos materiais disponíveis. Negi (2013) afirma que os solos com altos teores de finos (argila e silte) incham e se tornam mais plásticos na presença de água, encolhem quando secos e expandem se expostos ao frio extremo. Por sua vez solos com menor coesão estão mais suscetíveis à erosão hidráulica. Assim, diferentes solos pedem por diferentes medidas de estabilização condizentes com sua natureza e do projeto a ser atendido.
5.3.1 Estabilização química
A estabilização é um termo que se refere a um conjunto de técnicas onde a adição de material resultará principalmente em interações químicas entre o solo e o composto adicionado. São técnicas de estabilização nas quais um ou mais compostos químicos são adicionados ao solo, resultando em alterações químicas entre os constituintes do solo e aos aditivos (WINTERKORN e PAMUKCU, 1991 apud SILVA, 2016).
De outra maneira pode ser entendida como uma técnica que visa conferir acréscimos de rigidez, melhora na trabalhabilidade e redução da expansão, pelo acréscimo de substâncias reativas ao solo de modo que o mesmo passe a exibir propriedades requeridas pelo projeto.
3 Texto original: Soil stabilization can be explained as the alteration of the soil properties by chemical or physical means in order to enhance the engineering quality of the soil.
Segundo Silva (2016), os principais estabilizantes químicos utilizados na estabilização dos solos são o cimento Portland e a cal hidratada. Ambos apresentam ganhos na resistência ao longo do tempo, bem como redução na plasticidade e aumento da trabalhabilidade.
5.3.1.1 Mistura solo-cal
A adição da cal ao solo é a técnica de estabilização química mais antiga utilizada pelo homem, como por exemplo na construção da Via Ápia pelos romanos em cerca de 312 A.C. O solo-cal pode ser definido como o resultado da mistura íntima compactada de solo, cal e água, com proporções definidas através da dosagem (USBR, 1998, apud ROSA, 2009).
A adição da cal provoca modificações na estrutura física do solo, ao alterar os padrões de distribuição de cargas nas partículas, tornando o solo mais facilmente compactável e menos plástico em um primeiro momento e com a formação de produtos cimentícios logo sem seguida, caso o solo apresente acima de 25% de material passante pela peneira #200 (NLA, 2004). Momentos após a adição de cal, solos coesos passam a ter aparência granular.
Figura 8 – Diferença entre o solo não-tratado (à direita) e o solo tratado com adição de cal (à esquerda).
Fonte: National Lime Association (2004)
Segundo a NLA (2004), quando misturada ao solo a cal começa a reagir imediatamente. No primeiro instante ocorrem os processos de hidratação dos óxidos da cal, que consomem a água presente ao mesmo tempo em que libera calor, por ser uma reação exotérmica, o que contribui para a secagem dos solos, podendo assim ser utilizada em situações onde a presença de água e plasticidade do solo inviabilizem o prosseguimento das obras. Logo em seguida ocorrem as trocas catiônicas que alteram o padrão de agrupamento das partículas e a sua floculação. Por último, na
presença de um percentual superior a 25% de argila, o pH favorece a quebra das partículas de argila e ocorrem reações entre a argila e a cal formando compostos cimentícios (Silicato Hidratado de Cálcio e Aluminato Hidratado de Cálcio) que aumentam a resistência da mistura.
Ainda segundo a NLA (2004), os resultados das reações do solo com a cal são permanentes, duráveis e continuam por anos, se corretamente projetadas, e resultam em um material de baixa permeabilidade, mas que é ao mesmo tempo forte e flexível. A cal, contudo, apresenta pouco efeito quando adicionada a solos com alto teor de matéria orgânica ou em solos com pouca ou nenhuma quantidade de argila. É mais eficiente em solos argilosos, chegando mesmo as ser mais eficiente do que o cimento em pedregulhos argilosos (INGLES e METCALF, 1972 apud ROSA, 2009).
5.3.1.2 Método físico-químico de dosagem
Este método foi criado como uma tentativa para simplificação da determinação ideal da quantidade de cimento Portland a ser adicionada ao solo para composição do solo-cimento. Segundo Rodrigues (1992), o primeiro a propor que as interações físico-químicas poderiam ser utilizadas para determinar o teor ideal de cimento Portland foi o pesquisador indiano do Central Road Research Institute de Nova Deli em 1971 (CHADDA, 1971). Ainda segundo Rodrigues (1992), o teste, apesar de realizado em condições afastadas da realidade, constitui uma alternativa rápida e simples, além da vantagem de requerer pequenas quantidades de amostra, ser feito com o uso de equipamentos simples e poder ser realizado por pessoal não-especializado.
Segundo Rodrigues (1992), o princípio do método se dá devido ao fato da interação entre o cimento e as argilas do solo produzirem significativas mudanças nas propriedades físico-químicas da mistura solo-cimento, causadas pelas partículas de cimento ao se comportarem como carregadas eletricamente, aumentando a condutividade elétrica do solo. Soma-se a isso os processos de hidratação do cimento. A soma dos dois processos gera alterações volumétricas substanciais quando a mistura é suspensa em água. É a partir dessas variações que é determinado o teor de cimento que produz a mistura ideal.
O ensaio do método consiste na preparação de misturas com variados teores de cimento em provetas de 250ml. Segue a medição durante alguns dias do volume sedimentado no fundo das provetas após o material ser agitado. Espera-se que o
volume sedimentado cresça até um determinado teor e depois se estabilize ou mesmo decresça. O ensaio termina quando as variações volumétricas se estabilizarem ou decrescerem. Passa-se então a determinação da variação volumétrica dos sedimentos das misturas em relação aos dos sedimentos do solo puro. Os valores são postos em um gráfico de ΔV% versus %Ci. Espera-se que a curva possua um ponto máximo, sendo esse valor o correspondente ao teor ideal para estabilização do solo. A Figura 9 mostra a aparência dos gráficos produzidos pelo método.
Figura 9: Exemplos de curvas características do método físico-químico. Fonte: Rodrigues (1992).
Apesar de ter sido criada para dosagem do solo-cimento, o método também se mostra pertinente para dosagem das misturas solo-cal, posto que as alterações físico-químicas no solo causadas pela cal se assemelham àquelas causadas pelo cimento.
6 METODOLOGIA
6.1 MATERIAIS
6.1.1 Solo
O solo a ser utilizado a pesquisa será retirado às margens da Estrada Nanci, localizada nas proximidades da zona urbana do município de Sinop-MT. Segundo Cidades (2005), os solos tipicamente encontrados em Sinop-MT são latossolos vermelhos ou amarelos, com presença de areias quartzosas e plintossolos.
Figura 10: Localização da Estrada Nanci. Fonte: Google Maps.
Figura 11 - Início da Estrada Nanci. Fonte: Arquivo Pessoal, 2017.
O solo será escavado com o auxílio de ferramentas manuais, como cavadeiras e pás. Após a escavação se seguirá o transporte das amostras para o laboratório de solos da Engenharia Civil da UNEMAT, Campus de Sinop, onde será realizado o armazenamento e realizados os ensaios pertinentes.
O solo a ser estudado será retirado da camada abaixo da camada orgânica, a qual é retirada no processo de execução das estradas rurais. O solo será retirado ao lado do trecho da estrada a uma distância de 30m, a fim de garantir que a amostra caracterize o solo local, não modificado por aterros ou deposição de agregados.
6.1.2 Cal
A cal utilizada será adquirida no comércio local. Será do tipo hidratada, com apresentação comercial em sacos de 20 kg.
6.2 MÉTODOS
Os ensaios utilizados para caracterização do solo seguirão as indicações técnicas contidas nas normativas ABNT pertinentes. Tanto o solo não-estabilizado como o estabilizado com a adição dos diferentes teores de cal serão analisados.
6.2.1 Ensaios de Caracterização
Depois da obtenção das amostras, as mesmas serão submetidas à caracterização geotécnica através dos procedimentos a seguir:
a) Determinação do Limite de Liquidez (ABNT, 1984a); b) Determinação do Índice de Plasticidade (ABNT, 1984b);
c) Determinação do Peso Específico dos Sólidos (ABNT, 1984c); d) Análise granulométrica (ABNT, 1984d);
e) Obtenção da curva de compactação da energia do Proctor Normal (ABNT,1986).
6.2.2 Misturas Solo-Cal
Serão realizadas misturas de solo e cal nos teores de 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%,7%, 8%, 9% e 10% a fim de determinar a curva característica pelo método físico-químico. O ensaio para determinação da curva consiste na dissolução em uma proveta de 250ml de água de um volume constante de mistura solo-cal para os diferentes teores, e na posterior medição do volume de material sedimentado para
cada teor de cal utilizado. A curva é montada então utilizando o teor de cal (%) corresponde à abscissa e o a variação de volume para cada teor de cal em relação ao solo não tratado (ΔV%) corresponde à ordenada.
A partir da curva de variação volumétrica por teor de cal se dará a determinação do teor ótimo de adição de cal, que corresponde ao ponto mais alto da curva.
Para confecção dos corpos de prova será feita com o teor ótimo, com teores de +1% e -1% do teor ótimo e com o solo não-estabilizado.
As misturas são nomeadas a seguir: Mistura A – 100% de solo
Mistura B – Solo + teor ótimo Mistura C – Solo + (teor ótimo +1%) Mistura D – Solo + (teor ótimo – 1%)
Os corpos de prova confeccionado a partir dos diferentes teores de cal serão submetidos aos ensaios de Desagregabilidade e de Inderbitzen “normal” e modificado, descritos abaixo.
Os corpos de prova serão compactados em seu teor ótimo de umidade determinado através do ensaio de compactação e passarão por um período de cura de 7 dias a temperatura ambiente para que as reações de cimentação tenham tempo para ocorrer.
Serão confeccionados um total de 96 amostras, divididas de acordo com a Tabela 1.
Tabela 1: Quantidade de Amostras a serem confeccionadas
A B C D Slaking test 6 6 6 6 Inderbitzen 9 9 9 9 Inderbitzen Modificado 9 9 9 9 Fonte: arquivo pessoal, 2017.
6.2.3 Ensaio de absorção de água
A absorção de água será analisada tanto para capilaridade quanto para imersão.
O ensaio seguirá o prescrito pela NBR 9779 (1995), com modificações propostas por Cruz e Jalali (2010). Tais modificações consistem na alteração do tempo para realização do ensaio de 72 para 24 horas, na impermeabilização da área lateral da base com parafina e na utilização de corpos de prova do ensaio Proctor para realização do ensaio. Serão confeccionados 3 corpos de prova para cada teor utilizado.
Os corpos de prova serão secos em estufa para obtenção da massa constante e depois resfriados a temperatura ambiente.
Figura 12: Impermeabilização da área lateral do corpo de prova. Fonte: LOBATO, 2015.
A imersão dos corpos de prova se dará em recipientes com o fundo revestido com areia, de modo que a submersão não exceda a parte impermeabilizada.
A massa de água absorvida será medida para os períodos de 3h, 6h, 9h, 12h e 24h, com a absorção da água por capilaridade se dando em g/cm², calculada de acordo com a equação abaixo.
𝐶 =𝑀2− 𝑀1 𝑆 Onde:
C: absorção de água por capilaridade (g/cm²); S: área da seção do corpo de prova (cm²); M1: massa de corpo de prova seco em estufa.
M2: massa de corpo de prova que mantém uma das faces em contato coma
água durante o tempo determinado.
Após o ensaio de absorção os corpos de prova serão submetidos ao ensaio de Resistência à Compressão não Confinada-RCNC.
O ensaio para determinação da absorção de água por submersão se realizará através da submersão dos corpos de prova, primeiramente secos em estufa, por um período de 24 horas, sendo depois retirados e secos superficialmente e pesados.
A determinação da absorção se dará através da equação que se segue:
𝐶 =𝑀2 − 𝑀1
𝑀1 ∗ 100 Na qual:
A: absorção de água (%);
M1: massa do corpo de prova após a secagem
M2: massa do corpo de prova após submerso por um período de 24h.
6.2.4 Ensaio de Inderbitzen
O ensaio de Inderbitzen serão realizados com o uso do equipamento montado por Kaiber e Romanini (2016), tratando-se de uma adaptação proposta por Ide (2009) para o equipamento elaborado por Inderbitzen (1961).
O procedimento consiste na confecção de amostras de solo em formato circular, e que passarão por uma cura de 7 ou 21 dias para aquelas tratadas com cal.
Figura 13 – molde de PVC utilizado para confecção dos corpos de prova. Fonte: Kaiber, 2017.
Um total de 3 amostras serão submetidas diretamente ao ensaio de Inderbitzen. Outras 3 amostras passarão por uma submersão parcial prévia (metade da altura da amostra) por um período de 15 minutos e então submetidas ao ensaio. As 3 amostras restantes serão submetidas à submersão total por 15 minutos e então submetidas ao ensaio. A submersão parcial e total das amostras tem como intenção a minimização dos efeitos de sucção durante a realização do ensaio.
No primeiro equipamento a amostra será posicionada próxima ao fundo do aparelho. A amostra será posicionada de modo que sua superfície esteja no mesmo nível que o da placa momento em que o fluxo for ligado.
A altura do fluxo laminar será determinado em função da vazão estabelecida. Tal altura poderá ser também definida através da equação que se segue, onde h é a altura do fluxo laminar, Q é a vazão, v é a velocidade do fluxo laminar e L a largura da rampa do equipamento.
ℎ = 𝑄 𝑣 . 𝐿
O relevo de Sinop-MT se caracteriza por como plano, com presença de algumas regiões de características onduladas, com inclinações não maiores do que 10% (SANCHES e DALLA ROZA, 2017). Assim, a presente pesquisa utilizará a inclinação de 10%, pois as estradas rurais apresentam inclinações longitudinais parecidas com as do relevo natural e inclinações transversais também suaves. Além disso, busca-se uma simulação para a pior situação, pois quanto maior a inclinação maior a tendência à erosão. Além disso, inclinações inferiores dificultariam o manuseio no aparelho.
A vazão escolhida foi fixada em 50 mL/s, de acordo com o proposto por Ide (2009), que é correspondente a uma precipitação de 28 mm em 30 minutos no município de Bauru-SP, no entanto a escolha dessa vazão é justificada pelo fato de que muitos autores a utilizaram em suas pesquisa e por ser uma vazão que melhora o desempenho do equipamento.
O ensaio seguirá o proposto por Campos (2014), no qual cada amostra será submetida a um fluxo laminar de água com duração de cerca de 30 minutos e no qual o material carregado será coletado nos intervalos de 1, 5, 10, 15 e 30 minutos. Tal material será armazenado em recipientes limpos e secos, no quais serão separados
a água do solo através do uso de peneiras de malhas #50 (0,297 mm), #100 (0,150 mm) e #200 (0,074 mm). Logo em seguida o solo será submetido a secagem em estufas e pesagem.
Assim será possível a medição da perda de peso de solo seco relacionada a área da amostra e ao tempo de exposição ao fluxo, a qual poderá ser expressa em gráficos cartesianos, onde a ordenada é a perda acumulada de solo (g/cm²) e a abscissa é o tempo em minutos.
Conciani (2008) estabelece que para determinação do fator de erodibilidade é necessário a determinação da Tensão hidráulica cisalhante da amostra através da equação abaixo:
𝑆 = 𝛾𝑤. 𝐻. 𝑐𝑜𝑠𝛼 Onde:
S = Tensão hidráulica cisalhante atuando na amostra; 𝛾𝑤= Peso específico da água;
H = altura do fluxo laminar incidente sobre a amostra; 𝛼 = Ângulo de inclinação da calha em relação à horizontal.
Após o cálculo da Tensão hidráulica cisalhante, o cálculo do fator de erodibilidade K é efetuado através da seguinte fórmula:
𝐾 = 𝑀𝑠 𝐴. 𝑡. 𝑆 Na qual:
K = Fator de erodibilidade;
Ms = Massa de solo seco desprendida da amostra no ensaio (g);
T = Tempo do ensaio (minutos);
S = Tensão hidráulica cisalhante sobre a amostra (Pa). A = Área da amostra submetida ao fluxo laminar (cm²).
Para o segundo equipamento a vazão e a inclinação e a coleta do solo lixiviado serão iguais ao ensaio anteriormente explanado.
Heidemann (2008 apud Quirino et al 2004) quantifica a erodibilidade de um solo de 5% em 5%, quanto mais erodível o solo, maior a massa desprendida durante a realização do ensaio.
𝑒 = 𝑃𝑡𝑒𝑠 𝑃𝑡 . 100 Onde:
e = Erodilidade do solo (%)
𝑃𝑡𝑒𝑠= Peso total do solo arrancado da amostra durante o ensaio (g); 𝑃𝑡 = Peso total da amostra (g).
6.2.5 Análise dos resultados
Com a obtenção dos resultados será possível a determinação do índice de erodibilidade do solo para as diferentes misturas e se as mesmas serão eficazes no controle da erosão em estradas não-pavimentadas.
Tal análise consistirá na classificação das misturas da mais suscetível a menos suscetível à erosão.
7 RECURSOS MATERIAIS
Os ensaios serão realizados no Laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Estado de Mato Grosso, campus de Sinop – MT.
Tanto os ensaios de Desagregabilidadade quanto os Inderbitzen serão realizados com a utilização dos equipamentos pertencentes ao Laboratório, sendo o equipamento de Inderbitzen construído por Kaiber e Romanini (2017).
A Tabela 2 apresenta a estimativa dos custos necessários para a realização do presente projeto.
Tabela 2 – Estimativa de custos para realização do projeto Atividade Discriminação Quantidade
Preço R$
Carro Utilitário-Diária 1
140,00
Coleta das Amostras Sacos plástico 30
12,00
Cal 1 20,00
Total
172,00 Fonte: Arquivo Pessoal, 2017.
8 CRONOGRAMA
A Tabela 3 contém o cronograma das atividades referentes à pesquisa a serem realizadas.
Tabela 3: Cronograma das atividades.
Atividade 2018 2019 M A M J J A S O N D J Revisão Bibliográfica
Coleta das amostras Preparo das amostras Ensaio de Desagregabilidade Ensaio de Inderbitzen Ensaio de Inderbitzen Modiicado Análise e conclusões Apresentação e correção Entrega da versão final
9 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
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