UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO CENTRO DE ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

CENTRO DE ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

VALTESON DA SILVA SANTOS

ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA DA DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE LIQUIDEZ DOS SOLOS FINOS PELA MESA DE CONSISTÊNCIA

MOSSORÓ 2019

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VALTESON DA SILVA SANTOS

ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA DA DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE LIQUIDEZ DOS SOLOS FINOS PELA MESA DE CONSISTÊNCIA

Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.

Orientador(a): Prof. Dr. John Eloi Bezerra

MOSSORÓ 2019

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© Todos os direitos estão reservados a Universidade Federal Rural do Semi-Árido. O conteúdo desta obra é de inteira responsabilidade do (a) autor (a), sendo o mesmo, passível de sanções administrativas ou penais, caso sejam infringidas as leis que regulamentam a Propriedade Intelectual, respectivamente, Patentes: Lei n° 9.279/1996 e Direitos Autorais: Lei n° 9.610/1998. O conteúdo desta obra tomar-se-á de domínio público após a data de defesa e homologação da sua respectiva ata. A mesma poderá servir de base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) sejam devidamente citados e mencionados os seus créditos bibliográficos.

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Biblioteca Central Orlando Teixeira (BCOT)

Setor de Informação e Referência (SIR)

Setor de Informação e Referência

Bibliotecário-Documentalista

Nome do profissional, Bib. Me. (CRB-15/10.000)

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VALTESON DA SILVA SANTOS

ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA DA DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE LIQUIDEZ DOS SOLOS PELA MESA DE CONSISTÊNCIA

Monografia apresentada à Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.

Defendida em: _____ / _____ / 2019.

BANCA EXAMINADORA

_________________________________________

Presidente

_________________________________________

Manoel Leandro Araújo e Farias, Prof. Me. (UFERSA) Membro Examinador

_________________________________________

Walney Gomes da Silva, Prof. Dr. (IFRN) Membro Examinador

_________________________________________

AGRADECIMENTOS

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Agradeço primeiramente a Deus pela sua bondade em todo o tempo. Por ter me ajudado a trilhar o caminho no qual tenho encontrado paz.

Agradeço aos meus pais José Pereira e Maria da Silva por terem me dado uma formação moral sem a qual não estaria aqui hoje. Por terem me dado todas as oportunidades de me dedicar aos estudos, independente das circunstâncias.

Agradeço à minha companheira, Larissa, pela ajuda, incentivo e apoio em todas as horas.

Agradeço aos meus irmãos Elizabeth e Isaías pela amizade, por me motivarem sempre e especialmente a meu irmão Weliton que se dispôs a ajudar na coleta dos solos.

Agradeço ao meu Orientador John Eloi por ter aceitado o desafio e dedicado parte do seu precioso tempo à esta orientação. Pela presteza e dedicação. Agradeço por todo o conhecimento passado em Mecânica dos solos e Excel, como professor e orientador.

Agradeço ao professor Francisco Alves Da Silva Junior pela presteza em viabilizar a apresentação deste trabalho e às preciosas orientações.

Agradeço a Ana Luíza, Kércia Nogueira e Letícia Balbino pela análise inicial dos solos e disponibilização das coordenadas para segunda etapa de coleta.

Agradeço a Giovanna, Lucas, Gabriel e Yan, pela ajuda na obtenção dos dados experimentais da segunda etapa, sem os quais este trabalho não teria sido concluído.

Agradeço aos professores John Glennedy Bezerra Gurgel e Luiz Ailton, colegas de trabalho no IFRN, pela contribuição e sugestões a este trabalho.

Agradeço aos amigos Adja, Amanda, Camila, Elves e Wesllianny, não só por terem me incentivado a fazer um bom trabalho, mas também pelo suporte oferecido.

Agradeço ao professor Walney Gomes da Silva e ao professor Manoel Leandro pelas preciosas contribuições ao este trabalho.

Agradeço a todos que de alguma forma, colaboraram com este trabalho.

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Somos o que repetidamente fazemos. A excelência, portanto, não é um feito, mas um hábito.

Aristóteles

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RESUMO

A determinação do Limite de Liquidez dos solos (LL) pelo aparelho de Casagrande é prática corriqueira dos laboratórios de solos. Tal aparato, proposto há mais de 60 anos, apresenta erros decorrentes da influência do operador sobre a realização do ensaio. Com vistas a contribuir para a redução destes erros experimentais, este trabalho avalia, de forma inovadora, a metodologia de determinação da consistência das argamassas pela mesa de consistência (Flow Table) como alternativa ao aparelho de Casagrande para determinação do LL de solos finos. Para tanto, estuda-se aqui o comportamento de 04 solos finos obtidos no município de Mossoró/RN, ensaiadas na mesa de consistência e analisadas segundo metodologia proposta por Hyun-Ki, Cortes e Santamarina, (2007) e Wang e Hu (2005) que descrevem algebricamente tal fenômeno. Considerando a equação de Hyun-Ki, Cortes e Santamarina (2007) e considerando que a resistência ao cisalhamento não drenada dos solos no LL tem um valor aproximadamente igual a 2,5kPa, Bicalho et al. (2017), calculou-se o LL pelo método da mesa de consistência. Os resultados obtidos para os 04 solos ensaiados foram satisfatórios, segundo critério de Suits et al. (2007), apresentando erro inferior a 10% quando comparado com valores experimentais obtidos pelo método tradicional de Casagrande.

Concluiu-se que há viabilidade na determinação do LL pela mesa de consistência. Dada a natureza inovadora da análise de solos pela mesa de consistência, sua implementação carece de estudos que corroborem os resultados aqui encontrados.

Palavras-chave: Flow table. Consistência. Atterberg.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Gretamento de solo argiloso (a) e Tombamento de muro em Mossoró (b). ... 15

Figura 2 - Tipos de solos presentes no município de Mossoró. ... 16

Figura 3 - Dispersor de solos com copo e hélices. ... 17

Figura 4 – Picnômetro de vidro com tampa perfurada ... 18

Figura 5 – Exemplo de curva de calibração de um picnômetro ... 19

Figura 6 – Procedimento de agitação da proveta contendo a suspensão de solo... 23

Figura 7 – Curva granulométrica de solo ... 26

Figura 8 - Itens para determinação do limite de plasticidade dos solos ... 29

Figura 9 - Equipamentos para determinação do LL dos solos pelo método de Casagrande .... 30

Figura 10 - Aspecto do solo no aparelho de Casagrande antes e após ensaio. ... 31

Figura 11 - Limite de liquidez de solo do município de Mossoró. ... 32

Figura 12 – Misturador mecânico ... 33

Figura 13 - Mesa de ensaio de consistência da argamassa ... 34

Figura 14 - Localização em mapa dos pontos de coleta e momento de coleta da 1º amostra. . 39

Figura 15 - Destorroamento da amostra 2 com almofariz de porcelana e mão de gral. ... 39

Figura 16 - Procedimento de massa específica de solos ... 40

Figura 17 - Ensaio de determinação da massa específica do solo. ... 40

Figura 18 - Procedimento de granulometria conjunta de solos. ... 41

Figura 19 - Determinação do limite de plasticidade dos solos. ... 41

Figura 20 – (a) Mesa de consistência utilizada - (b) Solo moldado em baixa umidade. ... 42

Figura 21 - (a) Corpo de prova moldado e planificado (b) Medição do espalhamento. ... 43

Figura 22 - Classificação dos solos pela carta de Casagrande. ... 45

Figura 23 - Carta de Van Der Merwe ... 46

Figura 24 - Correlação entre teores de finos e espalhamento. ... 47

Figura 25 - Curva umidade x resistência do solo. ... 55

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LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1- Ensaio de consistência do solo 1. ... 50

Gráfico 2 - Ensaio de consistência do solo 2. ... 51

Gráfico 5 - Limite de liquidez versus espalhamento final. ... 52

Gráfico 6 - Comportamento da consistência dos solos. ... 53

Gráfico 7 - Potencial matricial x teor de umidade volumétrica. ... 54

Gráfico 8 - Comparação entre valores de viscosidade informados pela ABNT e calculados .. 61

Gráfico 9 - Curva de Helmholtz ajustada ... 62

Gráfico 10 - Valor discrepante de 7,45 x valor corrigido de 7,35 ... 62

LISTA DE QUADROS Quadro 1 - Coordenadas das amostras coletadas... 37

Quadro 2 - Viscosidade da água (valores em 10^-6 g x s / cm²) ... 61

Quadro 3 - Dados de coeficientes corrigidos... 62

LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Abertura em mm das peneiras utilizadas na granulometria de solos ... 24

Tabela 2 –Classificação dos grãos do solo segundo as dimensões das frações constituintes. . 27

Tabela 3 - Valores de massa específica real obtidos. ... 44

Tabela 4 - Resultados da composição granulométrica dos solos... 44

Tabela 5 - Dados experimentais do Limite de Plasticidade dos solos. ... 45

Tabela 6 - Classificação dos solos ensaiados ... 46

Tabela 7 – Espalhamentos equivalentes ao LL de cada solo. ... 47

Tabela 8 - Dados experimentais do ensaio de consistência para o Solo 1... 48

Tabela 12 - Resultados consolidados do ensaio de consistência. ... 55

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 13

2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 15

2.1 SOLOS DE MOSSORÓ ... 15

2.2 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DE SOLOS ... 17

2.2.1 Grãos de solos que passam na peneira de 4,8mm - Determinação da massa específica ... 17

2.2.2 Solo - Análise granulométrica ... 21

2.2.3 Limite de Plasticidade dos Solos ... 28

2.2.3.1 Conceituação ... 28

2.2.4 Limite de Liquidez dos Solos ... 29

2.3 ENSAIO DE CONSISTÊNCIA PELA MESA DE CONSISTÊNCIA ... 33

3 METODOLOGIA DA PESQUISA... 37

3.1 TIPOLOGIA DA PESQUISA ... 37

3.2 DESCRIÇÃO DA POPULAÇÃO E DA COLETA DE DADOS ADOTADA ... 37

3.3 VARIÁVEIS DO ESTUDO ... 38

3.4 COLETA DAS AMOSTRAS ... 39

3.5 DETERMINAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA DOS SOLOS ... 40

3.6 DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO GRANULOMÉTRICA DOS SOLOS ... 41

3.7 DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE PLASTICIDADE DOS SOLOS ... 41

3.8 DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE LIQUIDEZ DOS SOLOS ... 42

3.9 DETERMINAÇÃO DA CONSISTÊNCIA DOS SOLOS PELA MESA DE CONSISTÊNCIA ... 42

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 44

4.1 CARACTERIZAÇÃO DOS SOLOS ... 44

4.2 DETERMINAÇÃO DA CONSISTÊNCIA PELA MESA DE ABATIMENTO... 46

4.2.1 Geometria das curvas ... 53

4.2.2 Relação entre o ensaio de consistência e o LL obtido pelo método de Casagrande 54 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 56

BIBLIOGRAFIA ... 57

APENDICE I - ANÁLISE DAS VISCOSIDADES DA ÁGUA OBTIDOS PELA EQUAÇÃO DE HELMHOLTZ EM COMPRAÇÃO ÀS INFORMADAS NBR 7181:2018 ... 61

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1 INTRODUÇÃO

Os solos são massas heterogêneas cujo comportamento depende tanto das características das partículas que o constituem quanto da interação entre elas (ORTIGÃO, 2007). Hrubesova, Lunackova e Brodzki (2016) descrevem os fatores que interferem no comportamento dos solos, citando: composição mineral; estrutura física e teor de umidade, sendo este o objeto de estudo deste trabalho. Kayabali et al. (2016) citam que a principal característica dos solos coesivos a ser alterada em virtude da variação de umidade é sua consistência. Tais parâmetros foram estudados no início do século XX pelo engenheiro Albert Mauritz Atterberg, que propôs em 1911 limites de umidade que definiriam a transição entre quatro estados de consistência do solo: sólido, semissólidos, plástico e líquido. Os limites foram nomeados pelo engenheiro como: limite de contração (LC), limite de plasticidade (LP) e limite de liquidez (LL), (MARR, 2003). Entre os anos de 1932 e 1958, o engenheiro Arthur Casagrande padronizou ensaios laboratoriais para a determinação desses limites, tendo desenvolvido um aparelho (aparelho de Casagrande) para a realização do ensaio de LL, (KAYABALI et al., 2016).

Atualmente, no Brasil, existem dois métodos normatizados para a determinação do LL dos solos: o método da percussão de Casagrande e o método do cone. O método da precursão consiste na aplicação de golpes de uma concha sobre uma base de ebonite até que um sulco de abertura de 2,0mm se feche em um comprimento de 13mm. O LL será o teor de umidade para o qual o sulco se fecha com 25 golpes. O método do cone consiste na punção de uma amostra de solo por um cone de 80 g e ângulo de ponta de 30°. O LL será o teor de umidade para o qual o cone penetrará 20mm na mistura.

As primeiras críticas ao ensaio de percussão foram feitas pelo próprio Casagrande.

Segundo Bicalho et al. (2017), o autor reconhecia que o método apresentava resultados diferentes para solos de natureza diferentes. Hoje, dentre os vários fatores que interferem na repetibilidade do ensaio, destaca-se a subjetividade dos resultados, como por exemplo o julgamento do operador para o critério de fechamento do sulco (HRUBESOVA, LUNACKOVA E BRODZKI, 2016; KAYABALI et al., 2016).

É necessário considerar também que os resultados, apesar de serem mostrados de maneira discreta, são, por sua própria natureza, valores contínuos, isto é, o fechamento de 13mm no sulco pode ocorrer entre dois golpes consecutivos, sendo computado um valor inteiro ao invés de um valore real. Marinho (1976), estudando a repetitividade e reprodutibilidade dos ensaios de caracterização de solos, encontrou um desvio padrão médio

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de 4,87% para a repetitividade e de 12,37% para reprodutibilidade deste ensaio. Valores estes considerados altos pelo autor.

Apesar das limitações, o método de Casagrande ainda é, tradicionalmente, o procedimento mais utilizado para a determinação do Limite de Liquidez dos solos (BICALHO et al., 2017). Eventualmente, as implicações diretas para este fato serão a aceitação de materiais inadequados ou a rejeição de materiais satisfatórios. Os impactos diretos são, nitidamente, financeiros, onerando diretamente os construtores seja pela aquisição de um solo de melhor qualidade em substituição a um material que equivocadamente foi rejeitado, seja pela redução da vida útil da obra em decorrência da utilização de um solo que equivocadamente foi aceito. É fundamental, portanto, que sejam desenvolvidas pesquisas cujos resultados venham aumentar a exatidão e a precisão dos resultados experimentais do ensaio de determinação do Limite de Liquidez dos solos fornecendo dados mais confiáveis para a tomada de decisão do engenheiro.

Objetivou-se, então, avaliar a viabilidade técnica da determinação do limite de liquidez de solos coesivos pela Mesa de Consistência (ensaio normatizado atualmente para argamassas pela NBR 13276:2016) a partir do estudo de quatro solos coesivos da cidade de Mossoró/RN.

Como objetivos específicos tem-se:

• Estudar o ensaio de consistência das argamassas pela Mesa de Consistência;

• Avaliar o ensaio de determinação do Limite de Liquidez dos Solos pelo método de Casagrande;

• Realizar o ensaio de consistência com os solos coletados utilizando a mesa de consistência.

• Fazer a análise dos dados obtidos no ensaio de consistência utilizando planilha de cálculo do MS EXCEL a fim de correlaciona-los com o limite de liquidez de cada solo.

• Propor eventuais alterações no procedimento experimental a fim de que seja adaptado à determinação do limite de liquidez dos solos.

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2 REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 SOLOS DE MOSSORÓ

O sítio urbano de Mossoró localiza-se na Chapada do Apodi, assentando-se sobre os sedimentos aluviais do rio Apodi-Mossoró, sobre os calcários da Formação Jandaíra e sobre os sedimentos argilo-arenosos do grupo Barreiras, na maior parte da cidade. De tal maneira que os solos do município de Mossoró são de medianamente profundos a rasos, apresentando, em geral, considerável porosidade e permeabilidade, tornando-os moderadamente drenados.

São solos de textura argilosa ou argilo-arenosa. Durante os meses secos, os solos tornam-se extremamente duros e apresentam gretas (Figura 1-a), com espaçamentos que podem alcançar 20 cm de largura (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2011).

Durante as chuvas, as águas percolam com muita facilidade pelas gretas e tornam esses solos moles até profundidades superiores a 1 metro, ocasionando danos às estruturas civis, (Figura 1-b). O município de Mossoró apresenta os melhores solos do estado para a exploração agrícola, entre eles os cambissolos. O que, por outro lado, significa um solo de baixa resistência mecânica, o que é um complicador para a indústria local da construção civil (ROCHA et al., 2009).

Figura 1 - Gretamento de solo argiloso (a) e Tombamento de muro em Mossoró (b).

Fonte: Autoria própria, 2019. Fonte: Autoria própria, 2019.

Segundo o Ministério de Minas e Energia (2011), quanto à geologia dos solos da cidade, é possível observar 5 unidades litoestratigráficas: Formação Jandaíra; Grupo Barreiras; depósitos quaternários, aluvionares antigos, aluvionares de canal e fluvio-marinhos.

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Apresenta também 15 tipos de solo, dos quais destacam-se os 5 tipos presentes na figura 2 e citados a seguir (RANDAM-BRASIL, 1981).

- Solo Latossolo vermelho amarelo eutrófico: caracterizado pela fertilidade de média a alta e textura média. Boa drenagem, alta porosidade e relevo plano. Predominantemente ácido, embora tenha baixo teor de matéria orgânica.

- Solo rendzina (Chernossolo): apresenta baixa drenagem e relevo plano, alta fertilidade e textura fina. Devido à sua origem predominantemente de calcários, são alcalinos.

- Solo cambissolos eutrófico: apresenta alta fertilidade, sendo essencialmente de terrenos sedimentares. Apresenta textura argilosa e drenagem moderada.

- Solo salino (Planossolos, Solochank e Solonetz): apresentam-se de rasos a pouco profundos e com baixa fertilidade, ocorrendo em pequenas áreas. Possuem alto teor de sódio.

Figura 2 - Tipos de solos presentes no município de Mossoró.

Fonte: Adaptado de Ministério de Minas e Energia, 2011.

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2.2 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DE SOLOS

2.2.1 Grãos de solos que passam na peneira de 4,8mm - Determinação da massa específica

A determinação da massa específica dos grãos de solo que passam na peneira 4,8mm é um procedimento que exige cuidado uma vez que este parâmetro interfere em outros índices físicos do solo. Esse procedimento é realizado por meio de um picnômetro de 500ml.

A realização do ensaio baseia-se no princípio físico da impenetrabilidade, o qual afirma que dois corpos não podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo. Desta forma, um frasco de volume conhecido tem seu volume ocupado parcialmente por um solo sendo o restante preenchido por um líquido de densidade conhecida (água destilada). Conhecendo-se o peso total do conjunto e a massa de solo utilizada é possível se chegar ao volume dos grãos do solo.

A utilização de toda a aparelhagem prescrita em norma é essencial para que os resultados não apresentem erros. O Anexo B da norma NBR 6458:2016 recomenda a utilização dos seguintes equipamentos:

- Estufa capaz de manter a temperatura entre 60ºC e 65ºC e entre 105ºC e 110ºC;

- Aparelho de dispersão para solos com chicanas (Figura 3);

Figura 3 - Dispersor de solos com copo e hélices.

Fonte: Catálogo de solos - Solotest – março/2019.

- Termômetro com precisão de 0,1ºC;

- Balança com capacidade de 1000 g e precisão de 0,01g;

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- Bomba de vácuo;

- Béquer de vidro com capacidade de 250 cm³;

-Picnômetro de 500 cm³ ou 1000 cm³ calibrado a 20ºC com a respectiva curva de calibração (Figura 4);

Figura 4 – Picnômetro de vidro com tampa perfurada

- Cápsulas de alumínio e espátulas;

- Funil de vidro e pisseta.

O ensaio é dividido em duas partes: calibração do picnômetro e determinação da massa específica do solo.

Conforme Stancati, Nogueira e Vilar (1981), a calibração do picnômetro deverá ser feita quando se utiliza o frasco pela primeira vez.

A calibração do picnômetro consiste em determinar a curva característica da variação da massa do picnômetro cheio de água destilada em relação à variação da temperatura devido a variação volumétrica do picnômetro e da água.

Segundo o anexo B da NBR 6458:2016, o procedimento experimental inicia-se com a determinação da massa do picnômetro completamente seco. Em seguida deve-se colocar água destilada até metade do volume do picnômetro e aplicar vácuo de 88kPa ao conjunto por um tempo de 15min. Acrescenta-se então mais água destilada até 1cm abaixo da base do gargalo do frasco e aplica-se mais 15min de vácuo (88kPa). Completa-se o frasco com água até seu nível de referência, seca-se sua superfície externa e faz a pesagem do frasco mais água. Nesta condição, a água é dita como deaerada ou livre de ar.

Para cada pesagem do frasco mais água deaerada o operador deverá medir com o termômetro a temperatura da água em três profundidades, tomando-se o cuidado de homogeneizar previamente a temperatura da água usando bastão de vidro ou o próprio termômetro a fim de se evitar que a variação entre pontos seja superior a 0,5ºC, condição na qual a solução dentro do picnômetro deverá ser mais bem homogeneizada (MASSAD, 2016).

Stancati, Nogueira e Vilar (1981), recomendam que:

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- O intervalo de calibração do picnômetro deve conter a menor e a maior temperatura que a água possa assumir no laboratório;

- Duas determinações seguidas não devem diferir mais que 5ºC entre si;

- Deverão ser feitas no mínimo cinco determinações.

Massad (2016) sugere que a calibração do picnômetro seja feita aproveitando as variações naturais de temperatura durante o dia.

Terminado o procedimento de calibração deverá ser traçada a curva para os valores experimentais e para os valores teóricos da variação da massa do picnômetro mais água deaerada em relação à variação da temperatura conforme figura 5. Stancati, Nogueira e Vilar (1981), afirmam que a massa teórica (M) é dada por:

Onde:

M = massa do picnômetro mais água à temperatura T ºC;

MP = Massa do picnômetro;

VP = Volume do picnômetro, na temperatura de calibração T;

ΔT = T - TC;

T= Temperatura da água em ºC;

∈ = Coeficiente de expansão cúbica do vidro;

w= Massa específica da água à temperatura T ºC;

ar= Massa específica do ar considerado constante = 0,0011786 g/cm³.

Figura 5 – Exemplo de curva de calibração de um picnômetro

Fonte: Autoria própria, 2017.

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Estando o frasco devidamente calibrado prossegue-se à determinação da massa específica do solo. Segundo a NBR 6459:2016, a massa seca necessária dependerá da granulometria do solo. Para solos arenosos essa massa deverá ser de aproximadamente 60g.

Para solos argilosos e siltosos a massa deverá ser de aproximadamente 50g.

Stancati, Nogueira e Vilar (1981) recomendam que o solo seja ensaiado sem secagem prévia, preferencialmente com a umidade de campo. Para tanto, é necessária que seja determinado seu teor de umidade pelo método da estufa.

A amostra que será ensaiada deverá ser colocada submersa em água destilada por um tempo de no mínimo 12h. Concluída essa fase, a amostra será levada para o copo do dispersor tendo-se o cuidado de transferir, sob lavagem, todo o material para o copo, cujo volume final da água não poderá exceder metade de sua capacidade. A solução deverá ser dispersada por 15min.

Terminada a dispersão transfere-se o solo para o picnômetro e adiciona-se água destilada até metade de seu volume. Deverá ser aplicado vácuo de 88kPa ao conjunto por tempo não inferior a 15min. Adotando procedimento semelhante àquele de calibração do picnômetro, será adicionada água destilada até um centímetro abaixo do gargalo do frasco o qual será submetido ao vácuo de 88kPa por mais 15min. Concluída essa etapa deverá ser adicionada água destilada até um centímetro abaixo da marca de referência do frasco. O conjunto deverá ser deixado em repouso para que sua temperatura se equilibre com a temperatura ambiente.

Por fim, completa-se o volume do frasco com água destilada e determina-se o peso do conjunto (frasco + solo + água). Deverão ser tomadas três temperaturas em três profundidades do frasco e calculada a temperatura média.

A massa específica dos grãos do solo será calculada utilizando-se a equação a seguir, constante no anexo B da NBR 6458:2016:

Onde:

s é a massa específica dos grãos do solo, expressa em grama por centímetro cúbico (g/cm³);

M1 é a massa do solo úmido;

M2 é a massa do picnômetro + solo + água, na temperatura T do ensaio;

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M3 é a massa do picnômetro cheio de água na temperatura T, obtida da curva de calibração;

h é o teor de umidade inicial da amostra;

w(T) é a massa específica da água à temperatura T (tabelado na norma).

Segundo a NBR 6458:2016, o ensaio será satisfatório se pelo menos dois resultados não diferirem mais que 0,02 g/cm³.

Stancati, Nogueira e Vilar (1981) acrescentam ainda que o procedimento será satisfatório quando forem realizadas mais quatro determinações em temperaturas distintas.

Ademais, as amostras depois de ensaiadas, deverão ser recolhidas em cápsulas apropriadas e levadas à estufa para secagem e conferência do peso seco que deverá ser da mesma ordem de grandeza que aquele calculado a partir do peso úmido e do teor de umidade da amostra.

Cabe destacar ainda que w(T) (massa específica da água deaerada na temperatura T) pode ser obtida consultando-se o anexo A da NBR 6458:2016. Contudo, em razão do louvável trabalho do engenheiro químico americano George S. Kell, é possível obter tal parâmetro para valores de temperatura entre 5ºC e 40ºC com precisão melhor que aquela fornecida pelo anexo A da NBR 6458:2016. A equação formulada por Kell e reformulada por Jones e Harris (1992) é:

A utilização da equação de Kell proporciona continuidade ao domínio da função densidade da água, uma vez que é possível calcular a massa específica teórica da água livre de ar para qualquer valor de temperatura entre 5ºC e 40ºC. Ao contrário do procedimento proposto pela NBR 6458/2016 que discretiza tais valores a cada 0,1ºC.

2.2.2 Solo - Análise granulométrica

Segundo Azevedo (2016), o processo de intemperismo que age sobre as rochas forma solos com diversas texturas. Pinto (2006) elucida que o conhecimento das frações constituintes do solo é imprescindível para o engenheiro geotécnico, uma vez que os diversos parâmetros do solo estão diretamente ligados com sua distribuição granulométrica. De fato, o

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próprio Sistema Unificado de Classificação de Solos (SUCS) separara os solos em finos, menores que 0,075mm, e solos grossos, grãos maiores que 0,075mm (DNIT, 2006).

A análise granulométrica de solos grossos é feita por peneiramento que consiste em passar uma quantidade de solo devidamente preparada por uma série de peneiras de dimensões normatizadas cujas aberturas variam de 0,075mm a 4,76mm, formando uma progressão geométrica de razão 2. Calcula-se o percentual retido em cada peneira e o percentual que passa em cada peneira (ORTIGÃO, 2007).

Conforme Caputo (2012), o peneiramento dos solos finos não é praticável, podendo incorrer em erros devido à aglomeração dos grãos do solo na forma de clusters. O método utilizado para essas frações é o ensaio de sedimentação contínua em meio líquido de densidade e viscosidade conhecidas. Segundo DNIT (2006), esse método baseia-se na Lei de Stokes, a qual estabelece que é possível determinar algebricamente a velocidade de uma partícula esférica de raio conhecido que decanta em um fluído de viscosidade e massa específica conhecida. Conforme destaca Massad (2016), a lei de Stokes é válida apenas para grãos cujos diâmetros estejam entre 0,2mm e 0,2 mícron.

É comum que os grãos formem uma estrutura floculada que deverá ser dispersa pelo uso de um defloculante. Costumeiramente utiliza-se uma solução de hexametafosfato de sódio com concentração de 45,7g do sal para cada litro de solução. Esta solução deverá ser tamponada com carbonato de sódio numa quantidade aproximada de 7g de sal por litro de solução, a fim de se manter o pH entre 8 e 9, NBR 7181:2018.

A análise granulométrica conjunta é um procedimento laboratorial que exige programação e estrutura de apoio para que nenhum dado deixe de ser coletado. Segundo a NBR 7181:2018 a amostra de solo já destorroada deverá ser passada na peneira 2,0mm. O material retido nessa peneira deverá ser lavado e levado à estufa para secagem. Esse material será utilizado para o peneiramento do solo grosso.

Deverá ser determinada a umidade do material passante na peneira 2,0. Deverá ainda ser pesada uma quantidade de solo de 120g, caso o solo seja predominantemente arenoso, ou 70g, caso o solo seja siltoso ou argiloso. Esse material será utilizado para a sedimentação e para o peneiramento fino. A amostra de solo a ser analisada por sedimentação deverá permanecer 12h em repouso, submersa em 125ml da solução hexametafosfato de sódio, preparada como descrito anteriormente.

Antes da sedimentação, o solo deverá ser levado ao equipamento dispersor tomando- se o cuidado de passar todo o solo para o copo do dispersor e de se ajustar o nível da água para 5cm abaixo da borda do copo. O tempo adequado de dispersão é de 15min, conforme

(21)

NBR 7181:2018. Contudo, a própria norma adverte que este tempo deverá ser reduzido caso o solo apresente grãos quebradiços. Uma alternativa, trazida por Mauri et al. (2011), é a utilização de um agitador rotativo do tipo Wagner.

Após a dispersão, a mistura deverá ser levada para proveta de capacidade de 1000cm³ completando-se o volume nominal da proveta com água destilada. O conjunto deverá ser deixado em repouso até entrar em equilíbrio com a temperatura ambiente. Atingido o equilíbrio, a proveta deverá ser tampada com uma mão e segurada verticalmente. Com um movimento semelhante ao movimento de giro de um volante, usando as duas mãos, o operador deverá girar verticalmente a proveta de forma que sua base e sua boca invertam suas posições, tantas vezes quanto possível em um tempo de um minuto (Figura 6).

Figura 6 – Procedimento de agitação da proveta contendo a suspensão de solo.

Imediatamente após a agitação, a proveta deverá ser colocada sobre bancada plana e estável onde permanecerá por 24h. Essa hora será registrada como hora de início do ensaio.

Conforme a NBR 7181:2018, o operador deverá introduzir o densímetro para solos na proveta e medir as densidades da solução para os tempos de 0,5min, 1min e 2min. O densímetro deverá ser retirado da solução e colocado em banho de temperatura constante. Deverá ser medida a temperatura da solução com precisão de 0,1ºC. Essa temperatura é representativa para as três primeiras medições. A NBR 7181:2018 recomenda que sejam repetidos os procedimentos de agitação e as três primeiras leituras.

As próximas leituras de densidade serão feitas para os tempos de 4 min.; 8 min.; 15 min.; 30 min.; 1h; 2h; 4h; 8h e 24h. A elaboração do cronograma de ensaio deverá levar em consideração as leituras intermediárias para garantir que estas ocorram no horário de funcionamento do laboratório.

(22)

Deverá ser medida a temperatura da suspensão ao fim de cada leitura. Cabe destacar que a temperatura afeta o peso específico e o coeficiente de viscosidade da água.

Após a última leitura, todo o material que estava na proveta deverá ser lavado na peneira de abertura 0,075mm, até que a água escoe límpida. O material assim obtido deverá ser levado à estufa para secagem e posteriormente será utilizado no peneiramento fino.

Os peneiramentos grosso e fino serão realizados utilizando-se as peneiras citadas a seguir (Tabela 1).

Tabela 1 - Abertura em mm das peneiras utilizadas na granulometria de solos Peneiramento grosso Peneiramento fino

50,0mm 2,0mm

38,0mm 1,2mm

25,0mm 0,6mm

19,0mm 0,42mm

9,5mm 0,30mm

4,8mm 0,15mm

2,0mm 0,075mm

Fonte: NBR 7181, 2018.

Considerando que o teor de umidade dos grãos retidos na peneira 2,0 é zero, a NBR 7181:2018 calcula a massa total seca utilizada no ensaio da seguinte forma:

Onde:

Ms é a massa total da amostra seca;

MT é a massa da amostra seca em temperatura ambiente;

Mg é a massa do material seco retido na peneira 2,0mm;

h é o teor de umidade em porcentagem.

Para o peneiramento grosso, o percentual retido em cada peneira é calculado dividindo a massa retida em cada peneira pela massa total da amostra seca. Calcula-se o percentual acumulado em cada peneira somando todos os percentuais retidos das peneiras de abertura superior. Para encontrar o percentual passante subtrai-se esse valor a 100.

(23)

A fórmula para cálculo da porcentagem de material suspenso, abordada por Stancati, Nogueira e Vilar (1981) e trazida pela NBR 7181:2018 é mostrada a seguir:

Onde:

Qs é a porcentagem de solo em suspensão no instante da leitura do densímetro;

V é o volume da proveta, igual a 1000 cm³;

N é a porcentagem de material que passa na peneira 2,0;

md é a massa específica do meio dispersor na temperatura de calibração do densímetro (g/cm³);

wc é a massa específica da água na temperatura de calibração do densímetro (g/cm³), calculada pela equação de Kell;

L é a leitura do densímetro na suspensão;

Ld é a leitura do densímetro no meio dispersor na temperatura da suspensão;

Mw é a massa do material úmido submetido à sedimentação, expressa em grama;

h é o teor de umidade higroscópico do material passado na peneira 2,0mm.

Para cada tempo de ensaio, uma parcela de solo, em virtude do seu diâmetro, não estará mais em suspensão. Uma vez que os grãos de maior diâmetro se depositam primeiro, é interessante se conhecer o diâmetro máximo dos grãos em suspensão. A NBR 7181:2018 traz a seguinte fórmula:

Onde:

d é o diâmetro máximo das partículas, expresso em mm;

µ é o coeficiente de viscosidade dinâmica do meio dispersor, à temperatura do ensaio, em g.s/cm², tabelado pela NBR 7181:2018;

(24)

z é a altura de queda das partículas, com resolução de 0,1 cm, correspondente à leitura do densímetro, expressa em centímetros;

t é o tempo de sedimentação, em segundos;

md é a massa específica do meio dispersor na temperatura de calibração do densímetro (g/cm³);

Os valores do coeficiente de viscosidade dinâmica da água podem também ser obtidos através da formulação proposta por Helmholtz¹ e sugerida por Stancati, Nogueira e Vilar (1981), transcrita a seguir:

Assumindo que a abertura das peneiras é representativa quanto aos diâmetros médios dos grãos do solo, e obtidos os percentuais de grãos finos em suspensão, traça-se a curva granulométrica, com os diâmetros dos grãos no eixo das abscissas (em escala logarítmica, conforme NBR 7181:2018) e o percentual passante no eixo das ordenadas (Figura 7).

Figura 7 – Curva granulométrica de solo

A partir dos dados obtidos na análise granulométrica é possível classificar cada fração do solo como argila, silte, areia ou pedregulho. Para isso, a ABNT adota a escala

1 No apêndice I é feita uma análise dos valores de viscosidade dinâmica da água em relação àqueles propostos pela NBR 7181:2018.

(25)

granulométrica internacional recomendada pela Sociedade Internacional para Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, conforme a Tabela 2.

Tabela 2 –Classificação dos grãos do solo segundo as dimensões das frações constituintes.

Fração Faixa de variação dos diâmetros dos grãos (mm)

Pedregulho Grosso 20,0 <Ø< 60,0

Pedregulho Médio 6,0 < Ø < 20,0

Pedregulho Fino 2,00 < Ø < 6,0

Areia Grossa 0,60 < Ø < 2,0

Areia Média 0,20 < Ø < 0,60

Areia Fina 0,06 < Ø < 0,2

Silte 0,002 < Ø < 0,06

Argila Ø < 0, 002

Fonte: NBR 6502, 1995.

Azevedo (2016) cita ainda outros três parâmetros a serem calculados a partir da curva granulométrica: o diâmetro efetivo; o coeficiente de não uniformidade e o coeficiente de curvatura.

O diâmetro efetivo é a dimensão a partir da qual apenas 10% do solo passa. O diâmetro efetivo do solo cujo perfil granulométrico está mostrado na Figura 8 é de 0,07mm.

O coeficiente de não uniformidade (CNU) e o coeficiente de curvatura (CC) são obtidos a partir das relações:

Onde:

Dn, para qualquer n, representa o diâmetro a partir do qual apenas n% do material passa. Para o solo da Figura 8, D30 é 0,4mm e D60 é 3,0mm.

Segundo Caputo (2012), solos muito uniformes têm CNU < 5. Solos desuniformes têm CNU > 15. Estando entre esses intervalos, os solos são tidos como de uniformidade média.

Destaca-se ainda que os solos serão considerados como bem graduados se o valor de CC estiver entre 1 e 3 (CAPUTO, 2012).

(26)

2.2.3 Limite de Plasticidade dos Solos

2.2.3.1 Conceituação

Atterberg (1911), originalmente, descreveu 7 limites que governam o comportamento dos solos coesivos quando variado o teor de umidade desses solos. Destes 7, apenas 3 foram incorporados pela ciência: o limite de liquidez; o limite de plasticidade e o limite de contração. O limite de plasticidade é determinado no Brasil pelo teste de rolagem de uma amostra de solo sobre placa de vidro esmerilhada, sendo normatizado pela NBR 7180:2016.

Algumas considerações importantes sobre o ensaio obtidas de Haigh, Vardanega e Bolton (2013), da universidade de Cambridge:

- Ao contrário do que aponta o senso comum, o ensaio de rolagem é realmente bem projetado para testar o início da fragilidade do solo;

- Estatisticamente, não há variação significante do teor de umidade para diferentes diâmetros de fio quando inicia o comportamento quebradiço;

- O processo de rompimento do solo envolve esforços de natureza de tração e de cisalhamento e sua ruptura é de natureza frágil;

- A relação entre a resistência ao cisalhamento de uma amostra de solo no LL e da mesma amostra de solo no LP é da ordem de 1/100 (SKEMPTON e NORTHEY, 1968);

- O LL e o LP não ocorrem em resistências ao cisalhamento fixas para os diversos tipos de solo. Para o LP, o valor da resistência ao cisalhamento ocorre principalmente entre 100kPa e 200kPa (SKEMPTON e NORTHEY, 1968);

- Os processos envolvidos no ensaio de determinação do LP pelo método da rolagem são de natureza complexa, envolvendo evaporação da água, cavitação a baixas pressões, fragilização da amostra e capilaridade (HAIGH, VARDANEGA E BOLTON, 2013).

Simplificadamente, o limite de plasticidade dos solos, tradicionalmente conceituado por Pinto (2006), é o estado de umidade fronteiriço a partir do qual um solo com comportamento plástico passa a ter comportamento semissólido.

2.2.3.2 Procedimento experimental

Os equipamentos necessários à sua realização são: cápsulas de alumínio, cápsula de porcelana, espátula flexível, placa de vidro esmerilhada, estufa e balança (Figura 8).

O ensaio consiste em rolar uma amostra de solo com a pressão dos dedos fazendo-o perder umidade até que o mesmo se rompa ao atingir aproximadamente 10 cm de comprimento e 3,0mm de espessura.

(27)

Figura 8 - Itens para determinação do limite de plasticidade dos solos

Fonte: Adaptado de catálogo de solos – Didática SP – julho/2019.

Segundo Haigh, Vardanega e Bolton (2013), dadas as peculiaridades do ensaio, é árdua a tarefa de criar outro procedimento que o substitua.

2.2.4 Limite de Liquidez dos Solos

2.2.4.1 Conceituação

Albert Mauritz Atterberg ao estudar o comportamento dos solos, incorporou à ciência três limites que dividem os quatro estados de consistência dos solos. Esses limites são teores de umidades nos quais os solos mudam sua consistência. O limite de liquidez (LL) é o teor de umidade limítrofe entre o estado líquido e o estado plástico dos solos. O limite de contração (LC) delimita o estado semissólidos e o estado sólido dos solos. Os teores de umidade do solo decrescem do limite de liquidez ao limite de contração, Pinto, (2006). A determinação dos dois primeiros limites de consistência (LL e LP) é uma prática rotineira dos laboratórios de solo.

Em uma reavaliação dos Limite de liquidez e plasticidade, Sharma e Bora (2003) conceituam que a resistência ao cisalhamento não drenado dos solos quando o seu teor de umidade é igual ao LL é, em média 1,7kPa. Para o LP, essa resistência é em média de 170kPa.

Bicalho et al. (2017) afirma que o LL obtido pelo aparato de Casagrande equivale ao teor de umidade para o qual a resistência ao cisalhamento não drenada do solo tenha um valor aproximadamente constante e numericamente igual a 2,5kPa.

(28)

Dada sua importância, o Limite de Liquidez dos solos tem sido amplamente pesquisado, e até a presente data conta com mais de 40 mil² publicações relacionadas em todo o mundo. Consensualmente, os autores afirmam que o ensaio de LL pelo método de Casagrande é o mais aceito, não obstante seja passível de erros experimentais (SHARMA e BORA, 2003; SUITS et al., 2007; NOTARO, 2012; HRUBESOVA, LUNACKOVA E BRODZKI, 2016; KAYABALI et al., 2016; BICALHO et al., 2017). Desta forma, surgiram iniciativas de pesquisas que buscam eliminar erros de medição no ensaio proposto por Casagrande.

2.2.4.2 Procedimento experimental

A associação Brasileira de Normas técnicas, através da norma NBR 6459:2016 - Solo - Determinação do limite de liquidez, define as condições de execução do ensaio pelo método de Casagrande.

Dentre os aparelhos necessários para o ensaio, destaca-se: cápsulas (1) e amalgamador (2), espátula flexível (3), cinzeis (4), e aparelho de Casagrande (5) (Figura 9), além de uma estufa e balanças de precisão.

Figura 9 - Equipamentos para determinação do LL dos solos pelo método de Casagrande

Fonte: Adaptado de catálogo de solos – Didática SP – julho/2019.

2 Dados do Google Scholar, 2019.

(29)

A amostra para o ensaio deve ser seca, destorroada e peneirada na peneira de 0,42mm de abertura. Daquele material passante é separado uma amostra de 200 g, a qual será utilizada para os ensaios de limite de liquidez e limite de plasticidade.

A amostra de solo destinada ao ensaio de limite de liquidez deverá ser umidificada, criando uma pasta de consistência plástica a qual deverá ser colocada no prato de ebonite e separada em duas metades com o cinzel. A realização do ensaio consiste na aplicação de golpes do prato sobre a base de ebonite até que o sulco de 2mm de espessura aberto pelo cinzel se feche ao longo do seu comprimento em aproximadamente 13mm, (Figura 10).

Figura 10 - Aspecto do solo no aparelho de Casagrande antes e após ensaio.

Fonte: Adaptado de LPE Engenharia – julho/2019.

Deve-se então coletar uma pequena amostra de solo do ponto de fechamento e leva-la à estufa para determinação do teor de umidade, assim como registrar o número de golpes necessários ao fechamento do sulco. Essas duas informações serão um par ordenado utilizado para determinação do limite de liquidez dos solos. A NBR 6459:2016 exige a obtenção de no mínimo 4 pares ordenados, cobrindo o intervalo de 35 a 15 golpes.

Após a primeira determinação, o teor de umidade da amostra é aumentado acrescentando-se de 1 a 2ml de água à amostra e repete-se o ensaio.

Os valores obtidos devem ser plotados em gráfico cujas ordenadas (em escala logarítmica) representam o número de golpes para o fechamento do sulco e as abscissas (em escala aritmética) são os teores de umidade equivalentes. Naturalmente, a distribuição dos pontos é linear (Figura 11). O limite de liquidez do solo será o teor de umidade correspondente a um fechamento da ranhura com 25 golpes.

(30)

Figura 11 - Limite de liquidez de solo do município de Mossoró.

2.2.4.3 Avaliação do ensaio

Dentre os erros que podem ocorrer durante a execução do ensaio de determinação do LL pelo método de Casagrande, destacam-se três: energia empregada durante a mistura pelo operador, erro na contagem de golpes da concha sobre a base de ebonite para fechamento do sulco e erro na leitura do comprimento de fechamento do sulco. O primeiro erro dependerá da velocidade e tempo de mistura além dos equipamentos utilizados. O segundo é um erro de aproximação e o terceiro um erro de equivalência (SOUZA et al., 2017). O erro de contagem dos golpes ocorre quando para o golpe de número n o comprimento de sulco fechado é inferior a 13mm e no golpe de número n+1 esse comprimento aumenta para um valor superior a 13mm. Esse erro não pode ser evitado para o aparelho de Casagrande, e o valor medido é aproximado. O erro da leitura de fechamento ocorre devido à medição aproximada do comprimento de fechamento do sulco dada a dificuldade de se medir visualmente um comprimento de 13mm com um equipamento em movimento.

Suits et. al. (2007), estudaram oito testes para determinação do LL não normatizados pela ASTM, e dez testes para determinação do LP. Notaro (2012), estudou o comportamento reológico dos solos no equipamento squeeze flow em umidades próximas aos limites de consistência de Atterberg. Hrubesova, Lunackova e Brodzki (2016) e Bicalho et al. (2017), estudaram a relação entre os valores experimentais obtidos pelo método de Casagrande e aqueles obtidos pelo cone de penetração. Kayabali et al. (2016), desenvolveram um aparato para determinação do LL e do LP dos solos cujos resultados foram satisfatórios.

(31)

2.3 ENSAIO DE CONSISTÊNCIA PELA MESA DE CONSISTÊNCIA

O ensaio de consistência, normatizado pela NBR 13276:2016 consiste na moldagem de um corpo de prova tronco-cônico³ em um dado teor de umidade em três camadas de mesma altura, sendo aplicados 15 golpes para a primeira camada, 10 golpes para a segunda camada e 5 golpes para a terceira camada com haste de adensamento. A amostra será submetida a 30 golpes de queda da mesa em um intervalo de 30s. A consistência do material ensaiado será igual ao diâmetro final do corpo de prova após o ensaio.

SENFF (2009) defende que o valor do espalhamento obtido pela mesa de consistência está mais relacionado com a tensão de escoamento do material que com a sua viscosidade plástica. Visto que o Limite de liquidez dos solos proposto por Atterberg e instrumentado por Casagrande está diretamente relacionado com a tensão de escoamento de solos, a mesa de consistência tem potencial para determinar o Limite de Liquidez dos solos. Até o momento, não foram encontrados trabalhos que utilizem a mesa de consistência para a determinação do Limite de Liquidez dos solos.

Os equipamentos necessários para a realização do ensaio são:

- Balança; proveta; espátula; cronômetro; misturador mecânico (Figura 12) e mesa de abatimento (Figura 13).

Figura 12 – Misturador mecânico

Para a execução do ensaio são necessários 2,5 kg de material seco. O material seco deve ser colocado na cuba da argamassadeira. Deverá ser adicionada 75% da água em um tempo de 10s, misturando por mais 20s. Mudar para a velocidade alta e misturar por mais 60s.

3 As dimensões do molde são: 12,5 cm de diâmetro inferior, 8 cm de diâmetro superior e 6,5 cm de altura.

(32)

Figura 13 - Mesa de ensaio de consistência da argamassa

Fonte: Adaptado da NBR 7215:2019.

Deve-se, então, parar o misturador, retirar a pá e raspá-la, assim como a superfície interna do misturador, em um tempo inferior a 90s deixando a argamassa em repouso até completar os 90s.

Por fim, aciona-se o misturador e adiciona-se o restante da água em 10s, prosseguindo-se a mistura até completar 60s. Retira-se o molde em seguida.

Após a retirada do molde, são aplicados 30 golpes na mesa de impacto num intervalo de tempo de 30s. A consistência é numericamente igual à média de três medidas de diâmetro do corpo de prova tomadas em direções distintas. Quanto maior a quantidade de água, maior será o diâmetro final do corpo de prova. A figura 13 esquematiza os equipamentos e o procedimento do ensaio.

Hyun-Ki, Cortes e Santamarina (2007), pontuam que a relação entre o espalhamento e o número de golpes dados na amostra é do tipo hiperbólico, sendo que a medida que são dados golpes na mesa o espalhamento aumenta. O autor traz também que o espalhamento depende da resistência ao cisalhamento da amostra analisada, da forma das partículas, da resistência ao escoamento e da altura inicial do corpo de prova O espalhamento também é diretamente proporcional ao teor de umidade da amostra.

Wang e Hu (2005), estudando o comportamento de argamassas na mesa de consistência demonstram que a relação entre o abatimento e o número de golpes tem relação linear em uma escala logarítmica. Algebricamente:

(33)

Onde:

F25 é o espalhamento após 25 golpes;

FT é o espalhamento após T golpes;

Ln é o logaritmo natural.

Wang e Hu (2005), correlacionaram o espalhamento e as características da composição para 166 diferentes misturas

Onde:

Flow% é o espalhamento da mistura após 25 golpes;

Vn é o percentual de vazios (%);

r é o tamanho médio do agregado (mm);

Vs é o volume de areia (%);

w/c é o fator água/cimento.

A regressão trouxe um R² de 0,79.

Hyun-Ki, Cortes e Santamarina (2007), ao estudarem o ensaio da mesa de consistência, demostraram analiticamente o envolvimento de três energias no processo:

energia potencial (EP), energia de deformação (ED) e energia de atrito (EBS) - através do cisalhamento da base. O balanço de energia é:

EP = ED + EBS

Definidos os parâmetros como:

Onde:

V0 é o volume do tronco cônico⁴; γt é o peso específico da amostra;

hd é a altura de queda da mesa (0,015m);

4 Assume-se que esse volume permanece constante durante o ensaio.

(34)

Rn é o raio do corpo de prova no enésimo golpe da mesa;

τ0 é a resistência ao cisalhamento da amostra e τbs resistência ao cisalhamento da base;

Todas as variáveis serão utilizadas em unidades do Sistema internacional.

Ajustando a equação do balanço de energia com as equações dos seus termos e deixando τbs em função de τ0 tem-se a equação a seguir.

Tal equação tem todos os parâmetros conhecidos ao final do ensaio, com exceção de τ0

que então poderá ser determinado pelo ensaio na mesa de consistência.

(35)

3 METODOLOGIA DA PESQUISA

3.1 TIPOLOGIA DA PESQUISA

A presente pesquisa é caracterizada como pesquisa de desenvolvimento, pois objetiva aperfeiçoar um processo com base nos conhecimentos existentes sem controlar as variáveis envolvidas (BANDEIRA, 1999). Quanto aos procedimentos técnicos, a presente pesquisa é classificada como experimental (WAZLAWICK, 2009).

Tomou-se como hipótese inicial a existência de um padrão de espalhamento para os solos coesivos quando ensaiados na mesa de consistência a partir do qual possa se obter o Limite de Liquidez dos solos.

3.2 DESCRIÇÃO DA POPULAÇÃO E DA COLETA DE DADOS ADOTADA

O programa de coleta das amostras de solo ensaiadas baseou-se no mapa pedológico da cidade de Mossoró, sendo priorizados os solos do tipo rendzina (Chernossolo) e vertissolos, solos estes coesivos que apresentam limite de liquidez entre 20% e 50%, conforme ensaios de caracterização e classificação de Gurgel et al. (2017). O procedimento de retirada seguiu o que preconiza a NBR 9604:2016. Foram coletados quatro tipos de solo em amostras deformadas de diferentes localidades da região urbana e da zona rural do município de Mossoró⁵, conforme quadro 1.

Quadro 1 - Coordenadas das amostras coletadas.

Amostra Tipo pedológico Coordenadas A1 Vertissolo 5°13'45,5"S 37°22'19,3"W A2 Chernossolo 5°15'55,3"S 37°18'06,9"W A3 Chernossolo/Vertissolo 5°22'14,8"S 37°12'45,9"W A4 Vertissolo 5°25'27,7"S 37°12'26,6"W

As amostras foram retiradas de uma profundidade de 30cm. As amostras retiradas foram levadas ao laboratório de Construção Civil do IFRN/Campus Mossoró em sacos plásticos fechados onde foram secas ao ar, destorroadas e quarteadas. O processo de preparo das amostras obedeceu à NBR 6457:2016.

5 As coordenadas dos pontos nos quais foram retiradas as amostras constam no link que segue:

<https://goo.gl/maps/pN8kaSqHWR9S8oVa8>

(36)

Em cada ponto foi obtido uma quantidade aproximada de 30 kg de solo, suficiente para realização dos ensaios de granulometria por peneiramento e por sedimentação, densidade real, limite de liquidez e limite de plasticidade. Todos os ensaios foram executados seguindo os procedimentos normativos da Associação Brasileira de Normas técnicas, a saber:

Granulometria do solo – NBR 7181:2018 Densidade real – NBR 6458:2017

Limite de liquidez – NBR 6459:2016 Limite de plasticidade – NBR 7180:2016

Posteriormente, para cada amostra de solo, procedeu-se ao ensaio de consistência na mesa de consistência, seguindo o procedimento descrito na NBR 13276:2016 a fim de se avaliar o comportamento do solo para diversos teores de umidade. Foram moldadas amostras com teores de umidade abaixo e acima do LL obtido pelo método de Casagrande de forma que, para cada amostra, foram obtidos no mínimo 3 pontos no estado plástico e 3 pontos no estado líquido. Destaca-se que o solo ensaiado foi aquele passante na peneira de abertura igual a 0,42mm. A mistura do solo foi feita na argamassadeira e o tempo de mistura cronometrado.

A análise dos dados experimentais foi feita no software MS Excel objetivando-se estabelecer uma relação, por hipótese, entre o teor de umidade da amostra e o espalhamento da massa de solo após o ensaio na mesa de consistência. Considerando também a influência de fatores como a distribuição granulométrica dos grãos e sua massa específica. Foi adotado como hipótese norteadora deste trabalho que para qualquer tipo de solo, quando sua umidade for igual ao limite de liquidez determinado pelo método de Casagrande, os diâmetros finais das massas ensaiadas serão estatisticamente iguais.

3.3 VARIÁVEIS DO ESTUDO

Neste trabalho foram definidas as seguintes variáveis:

• Variáveis independentes:

- Tipo de solo;

- Teor de umidade do solo;

• Variáveis dependentes:

- Limite de liquidez do solo;

- Limite de plasticidades do solo;

- Distribuição granulométrica;

- Massa específica;

(37)

- Diâmetro final da massa de solo na mesa de consistência;

- Resistência ao cisalhamento do solo.

3.4 COLETA DAS AMOSTRAS

A coleta das amostras foi realizada na data de 20 de junho de 2019, nos pontos descritos no quadro 1 citado anteriormente. Os materiais utilizados foram: enxada e sacos plásticos, além de aplicativo de posicionamento global por satélite para busca das coordenadas (GPS) e automóvel (Figura 14).

Figura 14 - Localização em mapa dos pontos de coleta e momento de coleta da 1º amostra.

As amostras coletadas foram levadas ao laboratório de Construção Civil do IFRN/Campus Mossoró, onde passaram por secagem e destorroamento, Figura 15.

Figura 15 - Destorroamento da amostra 2 com almofariz de porcelana e mão de gral.

(38)

3.5 DETERMINAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA DOS SOLOS

A determinação da massa específica das amostras foi realizada obedecendo ao que pede o anexo B da norma NBR 6458:2016. A figura 16 descreve, nessa sequência, a dispersão do solo, a passagem da solução para o picnômetro e a retirada do ar em bomba de vácuo de bancada da marca Pump COD. NOF-650.

Figura 16 - Procedimento de massa específica de solos

Prosseguindo-se o ensaio, completou-se o nível de água até 2cm abaixo do gargalo do frasco, aplicado vácuo para remoção do ar e posterior aferição de temperatura prosseguindo- se a pesagem (Figura 17). Para cada amostra foi feita uma determinação de massa específica.

Figura 17 - Ensaio de determinação da massa específica do solo⁶.

6 Conforme amplamente notificado na literatura, a aplicação de vácuo afeta a temperatura do frasco, devendo esta ser aferida após a aplicação do vácuo.

(39)

3.6 DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO GRANULOMÉTRICA DOS SOLOS

A composição granulométrica dos solos foi feita obedecendo a NBR 7181:2018. Dada a natureza argilosa dos solos, optou-se por fazer o ensaio de granulometria conjunta (peneiramento + sedimentação em meio aquoso). A figura 18 descreve a lavagem do solo na peneira de abertura de 2,0mm seguido do peneiramento grosso da amostra lavada e seca em estufa e posterior sedimentação da parte passante na peneira 2,0.

Figura 18 - Procedimento de granulometria conjunta de solos.

3.7 DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE PLASTICIDADE DOS SOLOS

A determinação do limite de plasticidade dos solos seguiu o que preconiza a NBR7180:2016 (Figura 19).

Figura 19 - Determinação do limite de plasticidade dos solos.

(40)

Foram realizadas no mínimo 7 determinações para cada tipo de solo a fim de que os resultados de pelo menos 5 amostras não diferissem da média em mais de 5%.

3.8 DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE LIQUIDEZ DOS SOLOS

A determinação do limite de liquidez das amostras foi feita seguindo ao que pede a NBR 6459:2016, utilizando as amostras de solos previamente secas e destorroadas. Utilizou- se o aparelho de percussão de Casagrande.

3.9 DETERMINAÇÃO DA CONSISTÊNCIA DOS SOLOS PELA MESA DE CONSISTÊNCIA

O ensaio de consistência dos solos pela mesa flow table (Figura 22-a), objetivo principal deste trabalho, foi feito com amostras secas, destorroadas, passadas na peneira de abertura 0,42mm. As amostras foram quarteadas e pesadas em quantidades de 2,5 kg. Foram então misturadas com água em umidade ligeiramente superior ao limite de plasticidade, seguindo a sequência recomendada para argamassas.

A fim de seguir ao procedimento da NBR 6459:2016 quanto ao amolgamento dos solos, que diz que o tempo de mistura do solo deve ser de 15min, alterou-se o tempo de mistura final proposto pela NBR 13276:2016 de 1min para 15min.

Para as primeiras amostras, a mistura foi dificultada pela rigidez da argila dada a baixa umidade, dificultando também a moldagem do tronco cônico (Figura 22-b).

Figura 20 – (a) Mesa de consistência utilizada - (b) Solo moldado em baixa umidade.

Após a moldagem (Figura 23-a), fez-se o abatimento do tronco cônico de solo com a aplicação em mesa de consistência de 30 golpes em um intervalo de queda de 30s, após o qual mediu-se o espalhamento final com paquímetro digital de 0,01mm de precisão (Figura 23-b).

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Para cada determinação, foi recolhida amostra de solo para determinação do teor de umidade pelo método da estufa.

Figura 21 - (a) Corpo de prova moldado e planificado (b) Medição do espalhamento.

O ensaio foi repetido com aumentos de 3% no teor de umidade até serem conseguidas no mínimo 6 determinações. Cada nova etapa do ensaio inicia-se com a adição de 75ml de água (equivalente a um aumento de 3% no teor de umidade) e mistura na argamassadeira por 60s. Considerando a importância do comportamento reológico da mistura solo-água, escolheu-se um tempo de 4min entre a finalização de uma mistura e o início da próxima⁷.

Utilizando a equação completa de Hyun-Ki, Cortes e Santamarina (2007), foi determinada a resistência ao cisalhamento para cada teor de umidade de cada amostra ensaiada. Uma vez que este parâmetro não é trivial na equação, ou seja, não há fórmula explicitar para a resistência ao cisalhamento na equação de Hyun-Ki, Cortes e Santamarina (2007), foi necessário utilizar um método numérico iterativo para obter este parâmetro.

Utilizou-se a ferramenta Solver do software MS EXCEL.

7 Neste intervalo o operador deverá desligar a argamassadeira, moldar o tronco cônico e remover o molde, aplicar os 30 golpes na mesa, medir 3 diâmetros em posições distintas e reiniciar o ensaio.

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4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 CARACTERIZAÇÃO DOS SOLOS

Os resultados da caracterização dos solos são corroborados por aqueles encontrados por Gurgel et al. (2017). Constam na tabela 3 os resultados de massa específica obtidos após os ensaios.

Tabela 3 - Valores de massa específica real obtidos.

Amostra δ (g/cm³)

A1 2,681

A2 2,736

A3 2,670

A4 2,768

Embora as duplas formadas pelos solos 1 - 3 e 2 - 4 tenham apresentado resultados de massa específica semelhantes, os resultados da análise granulométrica (Tabela 4) deixam claro que se tratam de solos com distribuição granulométrica distintas. Os mesmos apontam para uma natureza mais fina das amostras 2, 3 e 4 por conterem maiores quantidades de argila. Enquanto a amostra 1 tem maior porção de silte. Percebe-se que as 4 amostras são, nitidamente, solos finos.

A despeito da semelhança na distribuição granulométrica dos solos 2 e 3, conclui-se que por apresentarem massas específicas distintas, trata-se de solos distintos. Percebe-se a importância de parâmetros como a consistência dos solos que complementam massa específica e distribuição granulométrica para a classificação dos mesmos, Caputo (2012).

Tabela 4 - Resultados da composição granulométrica dos solos.

Amostra Pedregulho (%)

Areia (%)

Silte (%)

Argila

(%) CNU CC

A1 18,9 14,29 56,75 10,06 - -

A2 17,83 34,24 13,25 34,68 - -

A3 16,94 34,87 7,77 40,42 - -

A4 10,07 19,91 27,78 42,24 - -

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Não foi possível determinar o CNU e o CC dos solos uma vez que mesmo após o ensaio de sedimentação mais que 10% das amostras ainda permanecia em suspensão, impossibilitando o cálculo do diâmetro efetivo (D10).

Os resultados experimentais do ensaio de LL e LP (Tabela 5) corroboram os resultados da análise granulométrica visto que os solos com maiores teores de argila apresentaram maiores teores de LP.

Tabela 5 - Dados experimentais do Limite de Plasticidade dos solos.

Amostra LP (%) LL (%) IP (%)

A1 15,10 38,00 22,90

A2 23,70 53,67 29,97

A3 27,20 50,35 23,15

A4 28,20 49,94 21,74

Embora as amostras 3 e 4 tenham apresentado elevado teor de argila, não apresentaram os maiores valores de LL. A amostra 2 apresentou o maior valor. A amostra 1, com o maior teor de silte, apresentou baixo LL em relação às demais, dado o seu baixo teor de argila (aproximadamente 10 %), reforçando a importância do efeito da componente argila na composição dos solos (SKEMPTON NORTHEY, 1968).

Pela carta de Casagrande (Figura 22), que mostra a classificação dos solos pelo Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), percebe-se também a natureza fina dos solos. Na tabela 6 é possível ver detalhadamente a classificação de cada solo segundo sua distribuição granulométrica e consistência.

Figura 22 - Classificação dos solos pela carta de Casagrande.