Palavras-chave: Solos não saturados, Sucção, Papel filtro, WP4C.

COMPARAÇÃO DAS TÉCNICAS DO PAPEL FILTRO E DE UM

POTENCIÔMETRO DE PONTO DE ORVALHO PARA OBTENÇÃO DA

CURVA DE RETENÇÃO DE UMIDADE DE DOIS SOLOS TROPICAIS

DO RIO DE JANEIRO

Carlos Besso (Estudante, PUC-Rio, carlosbesso@outlook.com);

Mariana Ferreira Benessiuti Motta (Professora, UNISAL, marianabenessiuti@yahoo.com.br); Tácio Mauro Pereira de Campos (Professor, PUC-Rio, tacio@puc-rio.br).

Resumo. O potenciômetro de ponto de orvalho WP4C é um medidor direto de sucção, cujo

funcionamento fundamenta-se no fenômeno de equilíbrio entre o potencial de energia da água (sucção) e a pressão de vapor do ar, o qual calcula a sucção do solo através de relação termodinâmica. Neste sentido, o presente trabalho visa avaliar a aplicabilidade do uso do WP4C para obtenção da curva de retenção de umidade de dois solos do Rio de Janeiro: um colúvio e um solo residual jovem, através de validação dos resultados apresentados pelo WP4C, em relação a resultados apresentados pela técnica do papel filtro. Foram realizados ensaios nos materiais nas condições indeformadas e também reconstituídas com mesmo índice de vazios observado na condição indeformada. Os resultados indicam que os valores de sucção fornecidos pelo WP4C apresentam boa concordância com a técnica do papel filtro. Além disso, se apresenta uma correlação empírica válida para os dois solos estudados, na qual se corrige as sucções obtidas pelo WP4C.

Palavras-chave: Solos não saturados, Sucção, Papel filtro, WP4C.

COMPARISON OF FILTER PAPER TECHNIQUE AND A DEW POINT

POTENTIOMETER TO OBTAIN THE SOIL WATER CHARACTERISTIC

CURVE OF TWO TROPICAL SOILS OF RIO DE JANEIRO

Abstract:The dew point potentiometer WP4C is a direct suction meter, whose operation is based on the equilibrium phenomenon between the energy potential of the water (suction)

and the vapor pressure of the air, which calculates the suction of the soil through thermodynamic relationship. In this sense, the present work aims to evaluate the applicability of the WP4C to obtain the soil water characteristic curve of two soils of Rio de Janeiro: a colluvium and a young residual soil, by means of validation of the results presented by WP4C, in relation to results presented by the filter paper technique. Tests were performed on undisturbed samples and also reconstituted with the same void ratio observed in the undisturbed condition. The results indicate that the suction values provided by the WP4C show good agreement with the filter paper technique. In addition, it presents a valid empirical correlation for the two soils studied, in which the suctions obtained by WP4C are corrected.

Keywords: Unsaturated soils, Suction, Filter paper, WP4C.

1. INTRODUÇÃO

Para realizar correta avaliação da estabilidade de encostas de solos não saturados, o engenheiro geotécnico deve analisar a curva de retenção de umidade do material estudado. A curva de retenção, também conhecida como curva característica solo-água, ou apenas curva característica, exprime a relação entre sucção e água retida no solo. Sua representação completa consiste em trajetórias de umedecimento e secagem, onde a primeira exprime a adsorção de água no solo (diminuição da sucção com o aumento da umidade) e a segunda, a dessorção de água (aumento da sucção).

Durante os períodos chuvosos, a infiltração da água da chuva causa redução da sucção do solo, diminuindo a parcela de resistência devido à coesão aparente do material (Motta, 2016). Neste sentido, na prática da engenharia geotécnica deve-se atentar para escolhas adequadas dos parâmetros de resistência a serem adotados em projetos de contenção, pois a diferença de comportamento mecânico pode ser significativa.

As técnicas para medição de sucção em solos são diversas, subdivindo-se em duas categorias: métodos de medição indireta e direta. Segundo Motta (2016), na medição indireta se correlaciona um parâmetro de fácil obtenção (como o teor de umidade) com a sucção, a exemplo da técnica do papel filtro e da placa de pressão. Na medição direta se avalia a quantidade de energia da água dos poros do solo e se obtém a sucção, usualmente através de um equipamento calibrado, como psicrômetros, tensiômetros e, mais recentemente, o potênciometro de ponto de orvalho WP4C.

Cada tipo de medida apresenta sua limitação com relação à faixa de sucção de leitura, sendo observado em pesquisas a combinação de duas ou mais técnicas, afim de se obter completo entendimento da curva característica (e.g. Schelle et al., 2013; Elkady, 2015).

A técninca do papel filtro é amplamente utilizada em laboratórios de pesquisa, apresentando extensa faixa de leitura de sucção, tipicamente de 0 a 30 MPa (Marinho, 1994). Suas principais desvantagens são: requerer um rigoroso protocolo de laboratório e apresentar longo período de execução, podendo chegar a mais de 30 dias.

Como alternativa, o potenciômetro de ponto de orvalho WP4C vem sendo usado por diversos autores no intuito de se obter a curva característica de forma mais rápida e simples. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo avaliar qualitativamente os resultados obtidos pelo WP4C em relação à técnica do papel filtro, em dois solos não saturados do Rio de Janeiro, visando validar a aplicabilidade do equipamento para medições de sucção matricial em solos tropicais brasileiros.

2. REFERENCIAL TEÓRICO 2.1. MÉTODO DO PAPEL FILTRO

Segundo Marinho (1997), o método fundamenta-se no princípio de absorção de água e equilíbrio de energia (pressão) entre o solo e um material poroso com menor umidade. Desta forma, uma vez estabelecido contato entre os materiais, irá ocorrer fluxo de água do solo para o papel filtro, até que se atinja equilíbro de sucção entre eles. Dependendo do tipo de contato, é possível medir a sucção matricial ou total do solo.

No contato direto entre solo e papel filtro, desenvolve-se fluxo capilar de água e a sucção matricial é que controla o processo, já que este fluxo ocorre de forma contínua entre a matriz sólida do solo e as fibras do papel filtro. Sendo assim as forças osmóticas não interferem nos mecanismos de fluxo (Marinho, 1994).

Quando há um espaço de ar entre o papel e a amostra, o fluxo ocorre através de vapor de água, onde esta distância atua como uma barreira para os sais. Nesta configuração, a sucção total é medida, pois neste processo o fluxo deve superar as forças osmóticas e capilares que retêm as moléculas de água no solo (Marinho, 1994).

Segundo Motta (2016), para se obter valores corretos de sucção, alguns aspectos devem ser considerados, dentre os quais pode se destacar: o tempo de equilíbrio, a

precisão da balança de pesagem, o manuseio correto do papel e a garantia de um sistema de isolamento durante o período de equalização.

Conforme descrito em Marinho (1997), o período de equalização varia com o tipo de sucção que se deseja medir, sendo que para medições de sucção matricial este tempo é tipicamente 7 dias, e para sucção total, pode variar entre 7 dias (para altos valores de sucção) e 30 dias (baixas sucções).

2.2. POTENCIÔMETRO DE PONTO DE ORVALHO (WP4C)

O potenciômetro de ponto de orvalho baseia-se no fenômeno de equilíbrio entre o potencial de energia da água nos poros do solo (sucção) e a pressão de vapor do ar, de forma que é o equipamento fornece a sucção total do solo em análise.

Segundo Rocha et al. (2014), a medição de sucção acontece quando há condensação do vapor de água do ar no interior da câmara do aparelho, isto é, no ponto de orvalho da amostra de solo. Em seguida uma célula fotoelétrica registra a mudança na direção de feixe de luz, provocada pela condensação do vapor em um espelho interno do aparelho.

Nesta condição, a temperatura da amostra de solo (medida por um termômetro infravermelho) deve ser a mesma que do vapor de ar (medida por sensor ótico), processo que é acelerado pelo uso de uma ventoinha para circulação de ar no interior da câmara. O potencial de energia da água livre presente na amostra de solo é idêntico ao potencial de energia do vapor de ar, de forma que a sucção é obtida através da expressão (1) abaixo, advinda da termodinâmica. 0 p p ln . M R.T =

ψ

p = pressão parcial de vapor do ar;

p0 = pressão de saturação de vapor do ar, na temperatura de equilíbrio;

R = constante universal dos gases; T = temperatura do solo;

Poucos minutos depois de se inserir a amostra de solo no aparelho, é exibida uma luz verde informando o valor de sucção. Conforme ilustrado na Figura 1, o equipamento informa a temperatura do ponto de orvalho e a sucção em valor negativo, com unidade MPa, e também em escala pF, que representa o logaritmo da altura de coluna de água em centímetros da pressão correspondente (Marinho, 1997).

Figura 1 – Resultados fornecidos pelo aparelho.

O uso desta técnica tem apresentado bons resultados, principalmente para médios a altos valores de sucção – faixa ideal de funcionamento do equipamento empregado (e.g. Leong et al., 2003; Fredlund et al., 2012; Campbell et al., 2014; Gomes et al., 2015).

Conforme mencionado em Campbell et al. (2014), para solos onde a sucção osmótica é desprezível, a exemplo de solos tropicais brasileiros, é possível tratar dados de sucção matricial concomitantemente com dados de sucção total. Esta hipótese foi adotada neste trabalho, de forma que as duas técnicas (papel filtro e WP4C) fornecem valores de sucção matricial.

2.2.1. EFEITOS DE TEMPERATURA

Segundo relatado em Rocha et al. (2014), uma diferença de 1°C entre as temperaturas da amostra de solo e do ponto de condensação do vapor de ar, implica em um erro de 8 MPa.

Além disso, para que se tenha precisão de 0,05 MPa, a diferença de temperatura deve ser de 0,006°C. Mesmo que os termômetros infravermelho e de sensor ótico tenham precisão adequada da ordem de miligraus Celsius, tais medições tornam-se difíceis quando há grandes diferenças de temperatura, podendo ocorrer variações significativas de medição de temperatura durante o extenso tempo de equilíbrio. Sendo assim, medições mais precisas são obtidas quando a temperatura da amostra é próxima à da câmara.

Outro tipo de efeito de temperatura ocorre para amostras próximas à saturação (sucção de aproximadamente 0 MPa) e cuja temperatura é pouco superior à do bloco da câmara, podendo ocorrer condensação de vapor de água no interior do bloco. Este efeito implica em erros na medição de sucção da amostra e, possívelmente, em medições posteriores, caso a condensação não cesse (Rocha et al., 2014).

Afim de se evitar este tipo de erro, o aparelho fornece função que indica se a temperatura da amostra é superior à do bloco. Neste caso, deve-se retirar a amostra da câmara e colocá-la em recipiente selado para que ocorra resfriamento sem variação de teor de umidade.

Não recomenda-se utilizar a amostra muito fria, ou o período de equilíbrio será prolongado (Rocha et al, 2014). A faixa ideial de temperatura Ts – Tb é entre 0 e -0,5 °C. Além da temperatura é importante ressaltar que a contaminação do bloco de sensores do equipamento pode ocasionar erro nas leituras.

3. DESCRIÇÃO DO MÉTODO 3.1. SOLOS ESTUDADOS

Os solos estudados são descritos em Motta (2016). Para a caracterização física destes materiais, foram realizados ensaios de massa específica dos grãos, análise granulométrica e limites de consistência. As amostras foram preparadas de acordo com o procedimento de secagem prévia, conforme a NBR 6457/86, seguindo as demais recomendações da ABNT.

Os resultados obtidos da caracterização física destes materiais estão apresentados nas Tabelas 1 e 2. Com relação aos índices de consistência, o solo residual jovem é não plástico e o colúvio apresenta um Índice de Plasticidade (IP) de 28,6% e Limite de Liquidez (LL) de 64,5%.

A caracterização mineralógica dos solos, através da análise térmica diferencial e da difração de raios-x, mostrou que a fração fina do solo residual jovem é composta essencialmente por caulinita e do colúvio, por gibsita e caulinita.

Tabela 1 – Caracterização física dos solos estudados.

Solo e γγγγ (κΝ/µ≥) (κΝ/µ≥) (κΝ/µ≥) (κΝ/µ≥) Winicial (%) Gs SRJ 1,19 15,68 26,5 2,77 Colúvio 0,94 16,68 26,6 2,66

Tabela 2 – Granulometria e classificação dos solos estudados. Solo Areia _(%) ΣιλτεΣιλτεΣιλτεΣιλτε (%) (%) (%) (%) Pedregulho (%) Classificação SUCS SRJ 63,6 29,8 6,6 ML Colúvio 46,4 10,1 40,5 MH

A curva da distribuição incremental dos diâmetros dos poros (Figura 2), obtida através do ensaio de porosimetria de mercúrio, mostra duas famílias de pico, para os dois solos estudados, na condição indeformada. O comportamento bimodal da distribuição do tamanho dos poros está associado ao comportamento bimodal da curva de retenção. Logo, pode-se esperar que as curvas características dos solos apresentem formato bimodal.

Através desta distribuição, é possível observar que o solo residual apresenta dois picos localizados na região de macroporos e o colúvio apresenta picos nas regiões de micro e macroporos. A partir da quantificação dos poros dos solos, verifica-se que o solo residual jovem é composto sobretudo de macroporos e o colúvio de micro e macroporos (Tabela 2).

Tabela 2. Caracterização de poros dos solos estudados.

Solo Microporos (%) ϕ < 0,2µµµµm Mesoporos (%) 0,2µµµµm < ϕ < 0,5µµµµm Macroporos (%) ϕ < 0,5µµµµm SRJ 16,89 9,90 73,21 Colúvio 56,13 3,22 40,66

3.2. METODOLOGIA DOS ENSAIOS

Os corpos de prova, indeformados e reconstituídos, foram moldados em anéis metálicos de 47 mm de diâmetro e 21 mm de altura. As amostras reconstituídas foram moldadas com os mesmos índices de vazios médios e teores de umidade naturais obtidos nas amostras indeformadas. As metodologias descritas a seguir foram as mesmas para os dois tipos de amostras, sendo avaliada a trajetória de secagem dos materiais.

Primeiramente as amostras foram saturadas por capilaridade (Figura 3B) e, em seguida, secas ao ar até umidades arbitradas (Figura 3A). Após a secagem, foram isoladas termicamente para equalização da umidade, durante 3 dias. Ao final deste processo, inseriu-se o papel filtro do tipo Whatman Nº 42 no topo e bainseriu-se das amostras, para isolamento térmico de 10 dias, visando equalização da sucção matricial.

Figura 3 – A) Secagem ao ar. B) Saturação por capilaridade.

A umidade do papel filtro é calculada a partir de sua massa seca e úmida. O valor da sucção do papel filtro (que pela equalização é idêntico ao das amostras) é determinado a partir de sua umidade, segundo a calibração (Equações 2 e 3) proposta por Chandler et al. (1992).

%

47

w

,

10

=

>

ψ

%

47

w

,

10

=

≤

ψ

wp = umidade do papel filtro; ψ = sucção matricial.

Em seguida, uma porção do material amolgado foi inserida na cápsula do WP4C, de forma a se preencher cerca de metade da altura desta cápsula (Figura 4). Conforme descrito anteriormente, após poucos minutos, ocorreu equilíbrio termodinâmico e o aparelho forneceu a leitura de sucção.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados obtidos neste trabalho, expressos em termos de teor de umidade gravimétrica e sucção matricial obtida pelo método do papel filtro e pelo WP4C, estão apresentados nas figuras 5, 6, 7 e 8.

As curvas de retenção de umidade para os resultados obtidos pelo método do papel filtro, foram ajustadas segundo o modelo de Gitirana & Fredlund (2004), para curvas com quatro pontos de quebra. Os parâmetros de ajuste para as curvas obtidas para as amostras indeformadas e reconstituídas estão apresentados nas tabelas 3 e 4.

Tabela 3 – Parâmetros de ajuste da curva característica das amostras indeformadas. Solo wb1

(%) (%) wb2 w(%) res1 w(%) res2 (kPa) ψψψψb1 (kPa)ψψψψb2 (kPa)ψψψψres1 (kPa)ψψψψres2

SRJ 36,0 27,0 24,0 5,5 3,0 8,0 3.500,0 11.000,0

Colúvio 40,0 25,5 25,0 5,0 15,0 40,0 500,0 4.000,0

Tabela 4 – Parâmetros de ajuste da curva característica das amostras reconstituídas. Solo wb1

(%) (%) wb2 w(%) res1 w(%) res2 (kPa) ψψψψb1 (kPa)ψψψψb2 (kPa)ψψψψres1 (kPa)ψψψψres2

SRJ 36,0 25,0 21,0 2,5 3,0 10,0 2.500,0 30.000,0 Colúvio 41,0 21,0 21,0 5,0 5,0 40,0 800,0 3.000,0

Com relação às curvas de retenção, destaca-se primeiramente que a modificação da estrutura da condição indeformada para reconstituída não acarretou em alteração do formato bimodal das curvas. Comparando-se as condições, ambos os solos apresentaram variação em seus valores de entrada de ar, principalmente no segundo valor, sendo esta variação de 3500 kPa para 2500 kPa para o colúvio e de 500 kPa para 800 kPa, para o solo residual jovem.

Além disso, pode se observar que o equipamento WP4C forneceu valores com boa concordância em relação aos medidos pelo método do papel filtro, tanto para as condições indeformadas, quanto para as reconstituídas.

Analisando a tendência dos pontos obtidos pela comparação das sucções do papel filtro e WP4C, com relação à curva teórica onde ψPF = ψWP4C (Figura 7), vê-se que para os

dois materiais, nas condições indeformadas e reconstituídas, há uma diminuição de dispersão para acréscimos de valores de sucção.

Ademais, pode-se observar que os dois solos apresentam uma tendência de comportamento, quando se compara os resultados obtidos pelas duas técnicas (Figura 8). Tal tendência é expressa pela relação apresentada na Figura 8, e pode ser interpretada como correção dos valores de sucção obtidos pelo WP4C, para o método do papel filtro.

Figura 5 – Resultados obtidos para o solo residual jovem. A) Condição indeformada. B) Condição reconstituída.

Figura 6 – Resultados obtidos para o colúvio. A) Condição indeformada. B) Condição reconstituída.

Figura 8 – Correlação proposta para correção das sucções obtidas pelo WP4C.

5. CONCLUSÕES/ CONSIDERAÇÕES FINAIS

Este estudo buscou validar a aplicabilidade do uso do potenciômetro de ponto de orvalho WP4C, através de comparação dos resultados fornecidos pelo equipamento com relação aos obtidos pela técnica do papel filtro.

Foi observada boa concordância entre os valores medidos pelos dois métodos, para as condições indeformadas e reconstituídas, indicando que o WP4C é sensível à mudanças de estrutura dos materiais analisados.

Melhores resultados do WP4C são obtidos para sucções acima de 100 kPa, sendo que a precisão do aparelho é crescente com o aumento da sucção do solo analisado, conforme já observado por outros autores que avaliaram o uso do equipamento (e.g. Rocha et al., 2014).

Uma correlação empírica foi proposta para correção dos valores obtidos pelo WP4C em valores obtidos pelo método do papel filtro. A expressão apresentou coeficiente de determinação R²=0.95, o que indica uma tendência dos dois materiais, em ambas condições de moldagem, em apresentar uma correlação entre medidas de sucção obtidas pelos métodos do papel filtro e WP4C.

Neste estudo se consta que o WP4C é uma boa ferramenta para análise da curva de retenção de umidade de solos do Rio de Janeiro, havendo necessidade de maiores investigações quanto à correlação observada para os dois solos apresentados, no objetivo de viabilizar análises da curva característica através de uso exclusivo do aparelho.

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