Comparação da compactação de solo executada por compactador manual e mecanizado / Comparison of soil compaction performed by manual and mechanized compactor

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Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 42827-42840, jul. 2020. ISSN 2525-8761

Comparação da compactação de solo executada por compactador manual e

mecanizado

Comparison of soil compaction performed by manual and mechanized

compactor

DOI:10.34117/bjdv6n7-051

Recebimento dos originais: 03/06/2020 Aceitação para publicação: 01/07/2020

Alexandre Felipe Machado de Sousa

Engenheiro Civil pelo Instituto Federal de Goiás

Instituição: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás Endereço: Rua Formosa, Qds. 28/29, Loteamento Santana, Uruaçu-GO, Brasil

Email: aleefelips@gmail.com

Jéssica Azevedo Coelho

Engenheira Civil pela Pontifícia Universidade Católica de Goiás Instituição: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás Endereço: Rua Formosa, Qds. 28/29, Loteamento Santana, Uruaçu-GO, Brasil

Email: jessica.coelho@ifg.edu.br

RESUMO

O solo exerce função de suporte para fundação de obras em geral, diante disso, é imprescindível conhecer as características gerais do solo para atingir a compactação que resulte na máxima resistência do solo. O objetivo desse trabalho foi analisar dois métodos de compactação, um fazendo uso de compactador manual e outro de compactador mecanizado, comumente utilizados nas obras de pequeno porte do município de Uruaçu-GO. Para atingir tal objetivo adotou-se como procedimento metodológico a comparação quali-quantitativa, onde após a variação controlada, tanto dos equipamentos quanto das alturas e espessuras das camadas de compactação, foi possível verificar que para cada compactador adotado é possível inferir uma espessura de camada à se compactar adequada para atingir o melhor grau de compactação, estabelecido em laboratório.

Palavras-chave: Compactação, Compactador Mecanizado, Compactador manual, Fundação.

ABSTRACT

The soil acts as a support for the foundation of works in general, therefore, it is essential to know the general characteristics of the soil to achieve compaction that results in maximum soil resistance. The objective of this work was to analyze two compaction methods, one using a manual compactor and the other using a mechanized compactor, commonly used in small works in the municipality of Uruaçu-GO. To achieve this goal, the qualitative and quantitative comparison was adopted as a methodological procedure, where after controlled variation, both in the equipment and in the heights and thicknesses of the compaction layers, it was possible to verify that for each adopted compactor it is possible to infer a layer thickness to compact properly to achieve the best degree of compaction established in the laboratory.

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1 INTRODUÇÃO

O solo é um material granular disposto e abundante na superfície terrestre, muito fundamental à vida humana É de grande relevância resgatar os fatos e analisar como os homens evoluíram quanto as práticas construtivas de adaptar e modificar o ambiente segundo suas necessidades de habitação resultando assim, ao decorrer do tempo, a obrigação do conhecimento do solo e surgiram também métodos, materiais e maquinários para que fosse possível realizar tal feito.

Obras de terra, em grande parte das edificações, são classificadas como serviços preliminares, então, ter uma boa terraplanagem e compactação é um dos primeiros passos de fundamental importância para manter e prolongar a vida útil das construções. Uma compactação irregular pode danificar e comprometer uma estrutura com o decorrer do tempo, causando recalques que podem gerar fissuras, e em casos mais graves trazer a ruína da construção [1] [2].

Segundo Fernandes [3] a compactação consiste no processo de diminuição dos vazios de um solo devido a redução do volume de ar presente entre as partículas sólidas, devido à aplicação de sucessivas cargas dinâmicas. Tal processo faz com que aumento da resistência do solo, bem como redução tanto da sua deformabilidade quanto permeabilidade.

Crispim et al [4], complementa que para garantir a boa prática da execução da compactação no campo os ensaios experimentais de laboratório se mostram bastante eficientes, tendo em vista que possibilitam o controle adequado das condições de ensaio e melhor precisão nas aferições realizadas. Permitem também, a partir de simulações das condições reais, apontar os parâmetros de compactação dos solos no campo à depender do tipo e características do equipamento à ser utilizado.

Sabendo dessa importância, este estudo se propôs à estabelecer um critério para compactação, quanto à espessura das camadas, à depender do compactador à ser utilizado. Para tanto, foi necessário caracterizar o solo; determinar as condições ideais de umidade para a sua compactação do em laboratório; traçar as condições de umidade e energia de compactação à serem utilizadas em campo; realizar a compactação experimental de campo, com os compactadores manual e mecanizado; comparar se a compactação em campo atingiu os parâmetros pré-estabelecidos; e, por fim, verificar a aplicabilidade do estudo experimental na prática, por intermédio de uma obra do município de Uruaçu-GO.

2 CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS

Antes de iniciar qualquer processo de compactação, é preciso conhecer o solo a ser compactado, ou o solo do local de empréstimo (lugar de onde se retira o solo, jazida). O processo de reconhecimento é feito em laboratório através da preparação da amostra, conforme a NBR 6457 Amostras de solo – Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização – Método

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de ensaio [5] seguido do ensaio de granulometria por peneiramento NBR 7181 Solo – Análise granulométrica – Método de ensaio [6] (através deste ensaio que determina a composição e o tipo do solo, além de também ser um parâmetro para a determinação da energia de compactação a ser utilizada), ensaio do limite de liquidez NBR 6459 Solo – Determinação do limite de liquidez – Método de ensaio [7] e ensaio de limite de plasticidade NBR 7180 Solo – Determinação do limite de plasticidade – Método de ensaio [8] (através deste ensaio se conhece a umidade de transição do solo líquido para o solo plástico).

Para execução prática de obra, é necessário conhecer o comportamento do solo quando este receber os esforços provenientes da estrutura. Existem diversas formas de classificar um solo, quanto a sua: origem, evolução, quantidade de matéria orgânica, estrutura e preenchimento de vazios. O método de classificação mais importante na engenharia de solos é o que se baseia no comportamento dos grãos, e neste método, as variáveis que guiam essa classificação são a composição granulométrica e os limites de Atterberg [9].

3 COMPACTAÇÃO

A compactação consiste no processo de expulsão dos vazios de ar presentes no solo por meio da aplicação de energia. Tal processo visa aumentar resistência do solo devido à alteração da relação das partículas granulares com os vazios (densidade). É graças à compactação que o solo se torna mais estável para obras civis em geral.

O ganho de resistência promovido pelo processo de compactação decorre principalmente de três variáveis: a energia de compactação, umidade ótima e o tipo do solo [10], sendo que a energia de compactação pode ocorrer por esforços de pressão, vibração, impacto ou por uma combinação destes e as duas últimas variáveis implicam avaliação das características físicas do solo em questão. Portanto é de suma importância conhecer a tipologia do solo, sua composição, bem como as características do equipamento que promoverá a compactação. Para obras de pequeno porte, onde são compactados pequenos volumes de solo, tem-se como equipamentos mais utilizados o compactador manual e o compactador mecanizado.

O compactador manual, também conhecido, popularmente, como picolé, Figura 1, tem sua operação dependendo do peso do mesmo e da energia biológica de quem o está manuseando. É um equipamento versátil e antigo, simples de ser confeccionado, e com a utilização propícia tanto para compactação de solos coesivos (como solos argilosos) quanto para os não coesivos (solos arenosos). Devido a sua versatilidade de fabricação, podendo ser confeccionado com o uso de diversos materiais e adquirindo variados formatos é bastante utilizado em áreas confinadas [2].

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Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 42827-42840, jul. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 1. Compactadores manuais feitos com diversos materiais, Fonte: Terrapleno, 2014 [11].

O uso do compactador manual não garante uniformidade do serviço, tendo em vista que as frequências de altura de queda do pilão são muito variáveis, porém este equipamento ainda apresenta uma grande frequência de uso em obras de pequeno porte, o que faz com que a identificação da energia de compactação envolvida na sua utilização se torne fator importante à ser investigado.

O compactador mecanizado, conhecido como sapo (Figura 2), também pode ser utilizado na compactação de solos coesivos (como solos argilosos e siltosos) e daqueles com pouca coesão (solos em sua maior parte, arenosos) [2]. Tal compactador foi desenvolvido para otimizar o tempo de execução da obra bem como fornecer resultados de compactação mais uniformes. Além disso permite um maior conforto operacional ao trabalhador tendo em vista que a percussão é toda executada pelo motor do equipamento.

Figura 2. Compactador mecanizado, Fonte: Os autores, 2017.

Ambos os compactadores apresentados tratam de equipamentos utilizados em campo. Para determinações laboratoriais, a compactação é estabelecida por procedimento padronizado pela NBR 7182 [12], o ensaio de Proctor. Neste método tem-se três tipos de ensaios: o normal, o intermediário e o modificado, cuja variante é a energia de compactação. Nesse ensaio, desenvolvido em 1933, o

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procedimento consiste em compactar uma amostra dentro de um recipiente cilíndrico, fazendo com que se determine a umidade ótima que permite atingir o peso específico seco máximo de cada amostra [1].

A energia de compactação influencia diretamente no teor de umidade e no peso específico seco, pois quando se aumenta a energia de compactação reduz o teor de umidade e eleva o peso específico seco máximo.

O ensaio que utiliza um cilindro com diâmetro de10 cm e altura de 12,73 cm, sendo assim, resultando um volume de 1000 cm³, é chamado de proctor normal. Nele a amostra de solo é submetida a 26 golpes por camada de um soquete com massa de 2,5 Kg, sendo a altura de queda do soquete de 30,5 cm [12].

Os equipamentos usados em campo para compactar devem corresponder ao mesmo efeito de compactação com o executado em laboratório, ou seja, para trabalhar na mesma faixa de compactação, o equipamento deve realizar aproximadamente a mesma energia de compactação executada em ensaio. A estimativa de energia de compactação é dada pela seguinte fórmula [2]:

𝐸𝐶 =𝑀∗𝐻∗𝑁𝑔∗𝑁𝑐

𝑉 (1)

Onde,

M - Massa do soquete (Kg)

H - Altura de queda do soquete (cm)

Ng - Número de golpes por camada (adimensional) Nc - Número de camadas (adimensional)

V - Volume de solo compactado (cm³)

Para equipamentos onde o operador tem liberdade de variar a altura de queda ou a quantidade de golpes, esses dados podem ser determinados fixando a mesma energia de compactação executada em laboratório, que pode ser o caso do compactador manual.

Já no caso de equipamentos onde o operador não tem como definir a altura de queda (equipamentos que trabalham sob frequências motorizadas), pode ser estabelecida a quantidade de vezes que terá de passar num mesmo ponto de compactação (quantidade de “passadas”), através dos dados operacionais do equipamento (frequência). É o caso do compactador mecanizado.

A forma de conferir e verificar a qualidade da compactação executada em campo, é por meio do grau de compactação.

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3.1 COMPACTAÇÃO EM CAMPO

A compactação em campo é realizada espalhando-se o solo de maneira uniforme em camadas aproximadamente horizontais, cada camada pode ter (generalizando) de 15 a 30 cm, a compactação é feita, empregando: rolos compressores, vibradores, compactadores manuais (picolé) e compactadores mecanizados (sapo). Lembrando que o canteiro a ser compactado deve ser munido de meios ou equipamentos que possa irrigar (caso necessário) o local a ser compactado [2].

Ainda, segundo Caputo [2], os compactadores manuais são comumente utilizados em serviços complementares ou secundários, onde não se necessita de alta energia de compactação e em locais onde os maquinários de maior porte não tem acesso (como reaterros de valas), já os compactadores mecanizados, conhecidos como “sapos”, têm maior aplicação, pois é adaptável a quase todos os tipos de terreno com maior produtividade (comparado com os compactadores manuais).

Um dos critérios utilizados na verificação da conformidade da compactação de projeto é o Controle da Compactação, onde se deve determinar sistematicamente o peso especifico aparente (que pode ser executado pelo ensaio do “frasco de areia”) e a umidade do material (que pode ser realizado com o “método da frigideira”). Expressando matematicamente, temos o grau de compactação, que é cem vezes o quociente do peso específico aparente obtido no campo (campo), pelo peso específico

máximo obtido no laboratório (lab), conforme mostra a equação 2 à seguir [9].

𝐺𝐶 = 𝛾𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜

𝛾𝑙𝑎𝑏 ∗ 100 (2)

Para a determinação do peso específico aparente obtido no campo (campo), e determinação do

atendimento às especificações de projeto, por conseguinte, há o ensaio de frasco de areia, cuja principal vantagem é o seu baixo custo. Seu método prevê que por intermédio do frasco de areia padronizada se determine a massa específica aparente do solo “in situ” (no solo compactado).

O DNER-ME 092 [13] apresenta o procedimento aparelhagem, etapas preparação de amostras e cálculos necessários, onde a escavação tem formato cilíndrico com profundidade de escavação de 10 cm e diâmetro de 12,20 cm, sendo que se deve remover todo material granular de dentro da escavação, de forma que esse espaço seja ocupado somente por areia. Com o volume escavado e com a massa do solo retirado (antes compactado) determina-se a massa específica aparente da amostra.

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4 MATERIAIS E MÉTODOS

Para atingir os objetivos estabelecidos da presente pesquisa, dividiu-se a metodologia em duas fases, denominadas ‘etapa de laboratório’ e ‘etapa de campo’.

Sendo assim, coletou amostras do solo a qual seria usado futuramente para compactação, e realizou-se ensaios de caracterização previstos pelas normas ABNT 6457 [5], 7181 [6], 6459 [7], 7180 [8], 7182 [12]. Para a aferição da compactação em campo realizou-se o ensaio do frasco de areia normatizado pela DNER-ME 092 [13].

Com os dados das etapas de laboratório e de campo pôde-se comparar através do grau de compactação.

4.1 MATERIAIS

Partindo da ideia de que em condições práticas reais, de obra, prima-se pela realização da compactação no solo disponível, seja ele qual for, o solo utilizado neste trabalho foi um solo de depósito local, cuja posterior caracterização identificou suas propriedades e características físicas que por fim serviram de orientação para a determinação dos parâmetros de compactação.

O compactador manual utilizado, Figura 3, apresentava base cilíndrica de 16 cm² e 9,38 kg, enquanto o compactador mecanizado, Figura 4, apresentava as características descritas no Quadro 1.

Figura 3. Compactador manual. Figura 4. Compactador mecanizado.

Fonte: os autores, 2017

Quadro 1. Descrição

Modelo do motor HONDA

Força de impacto máximo 13.7 kN

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Tamanho da sapata 250x220 mm

Tanque de combustível 3,0 L

Número de impactos 640~680 min

Nível de ruido 108 dB

Dimensões (AxLxC) 900x373x670 mm

Fonte: Os autores, 2017.

4.2 ETAPA DE LABORATÓRIO

Fundamentado nas normas NBR 6457 [5]; NBR 7181 [6], com a finalidade de determinar a dimensão e proporções dos grãos; NBR 6508 [14]; NBR 6459 [7], que é a determinação da trabalhabilidade do solo, onde retiramos a umidade de transição entre os estados líquido e plástico do solo; NBR 7180 [8], que também aponta características de trabalhabilidade, porém deste ensaio conhece-se o teor de umidade de transição entre o estado plástico e o semi-sólido; NBR 7182 [12], que objetiva estabelecer a umidade ótima onde a amostra atinge o máximo peso específico e DNER-ME 092 [13] para poder calcular o grau de compactação.

4.3 ETAPA DE CAMPO

O compactador usado na pesquisa possui as seguintes características: diâmetro da sapata de 160mm e massa de 9,38Kg.

Foram adquiridos os dois compactadores, o manual e o mecanizado, e assim, foram produzidos dois canteiros experimentais de dimensão retangular (100x120) cm. Para cada compactador, três tipos de compactação foram realizados. O primeiro tipo são três camadas de 10 centímetros, o segundo tipo são duas camadas de 15 centímetros, e por fim, o terceiro tipo são duas camadas de 20 centímetros. Sendo assim, objetivou estabelecer a faixa de espessura de camada ideal para cada equipamento compactador.

Em campo, fixou-se a mesma energia de compactação realizada em laboratório pelo ensaio do Proctor Normal, 6 Kg.cm/cm³, variando somente o número de golpes por camada (Quadro 2).

Quadro 2 – Número de golpes por camada Compactação tipo 3 de 10cm 2 de 15cm 2 de

20cm

Manual 38,97 58,46 77,94

Mecanizado 2,78 4,17 5,56

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A altura de queda do compactador manual, foi cuidadosamente controlada, para manter a energia de compactação aproximadamente constante. A frequência do compactador mecanizado foi ajustada para um número menor de golpes por minutos a fim de que se pudesse manter o mesmo número de golpes em cada ponto do aterro experimental.

A densidade seca máxima foi estabelecida pelo ensaio de compactação, e para verificar e comparar com a compactação em campo, após a compactação tanto com o compactador mecanizado quanto com o manual, foram realizados ensaios “in situ” [13] para comparar a densidade seca obtida em campo com a pré-definida em laboratório.

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Inicialmente, foram determinados a composição granulométrica (Figura 5) e os limites de Atterberg [5] [7] [8], obtendo assim o limite de liquidez de 30,01%, limite de plasticidade de 22,42% e índice de plasticidade igual a 7,58%. Notando assim (por aproximação) que o solo possui um teor significante de argila, e que o teor de silte pode ser pouco, visto que a presença de silte, torna o solo sem coesão, logo, teria um certo nível de dificuldade para obter os limites de Atterberg. A umidade higroscópica do solo ensaiado foi de 2,69%.

Figura 5. Gráfico de granulometria dos solos

O ensaio de massa específica foi realizado, sendo da parte dos grãos de solos que passam na peneira 4,8mm, atualmente não normatizado, porém, anteriormente regulamentado pela NBR 6508 [14], obtendo uma média de 2,74 g/cm³.

Tendo como referência à curva granulométrica e o método SUCS de classificação [9], o solo analisado se enquadrou como areia argilo-siltosa, o que auxiliou a confirmação da hipótese dos

0 20 40 60 80 100 0,001 0,01 0,1 1 10 P o rce n tag em p ass an te (%) Diâmetro (mm) PEDREGULHO AREIA 44% SILTE 11% ARG. 31% 2.00 0.06 0.006

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limites de Atterberg, pois o teor de silte é baixo, o que é interessante para o estudo em questão. A Dimensão Crítica Máxima, 19mm, e Módulo de Finura, 3,33 [15]. Sua densidade máxima foi 1,85 g/cm³ e umidade ótima 14,20%, conforme Figura 6.

Figura 6. Gráfico de compactação dos solos

No campo, com os valores obtidos de massa específica máxima através do ensaio de compactação, podemos assim obter um comparativo com a compactação em campo (experimental) através do grau de compactação.

Foram executadas, para cada equipamento, três compactações tipo, cujos respectivos grau de compactação são apresentados na Tabela 1.

Tabela 1. Grau de compactação comparativo

Camadas Tipo de compactador Manual Mecanizad o Tipo 1 3 de 10cm 103% 103% Tipo2 2 de 15cm 98% 103% Tipo 3 2 de 20cm 80% 97%

No ensaio Tipo 1 (Figura 7), onde foram executadas três camadas com 10 cm cada, ambos os compactadores, no quesito grau de compactação, apresentaram os mesmos resultados, possivelmente devido ao fato das camadas serem menos espessas a energia de compactação exigida foi menor.

1,55 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05 11 12 13 14 15 16 17 18 19 De n si d ad e Se ca (g /c m³) Teor de Umidade (%) S=100% Ramo úmido Ramo seco

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Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 42827-42840, jul. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 7. Grau de compactação Tipo 1

Já no ensaio Tipo 2 (Figura 8), onde foram executadas duas camadas com 15cm cada, o desempenho dos compactadores apresentou uma diferença considerável, sendo que apenas o compactador mecanizado manteve sua eficiência.

Figura 8. Grau de compactação Tipo 2

No ensaio Tipo 3 (Figura 9), onde foram realizadas duas camadas com 20cm cada, os compactadores apresentaram uma diferença de compactação ainda maior devido ao aumento da espessura da camada de compactação. É possível verificar que o compactador mecanizado reduziu muito pouco sua eficiência enquanto a redução no compactador manual foi ainda mais expressiva.

1,55 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05 11 12 13 14 15 16 17 18 19 D en si d ad e Se ca (g/ cm³) Teor de Umidade (%) Compactador mecânico Compactador manual 1,55 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05 11 12 13 14 15 16 17 18 19 De n si d ad e se ca (g /c m³) Teor de Umidade (%) Compactador mecânico Compactador manual GC=103% GC=103% GC=98%

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Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 42827-42840, jul. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 9. Grau de compactação Tipo 3

Por fim, com intuito de verificar a consistência do trabalho na prática, buscou-se aplicá-lo num estudo de caso numa obra no município de Uruaçu-GO, onde, foi realizado um aterro após realizado a viga baldrame, então alguns ambientes da futura edificação foram compactados com o compactador mecanizado e os ambientes menores foi compactado com o compactador manual. O estudo comparativo realizado no local foi simples, empregamos o ensaio de frasco de areia para determinar a densidade seca da amostra em dois locais, o primeiro sendo onde foi executada a compactação com o compactador mecanizado e o outro sendo o local onde foi usado o compactador manual. Logo após realizado o ensaio, foi comparado a densidade seca das duas amostras, consequentemente a que houvesse maior módulo, seria a que estava com menor número de vazios e logo melhor compactada. Pelo compactador manual se obteve 1,71 g/cm³ enquanto que o compactador mecanizado obteve 1,91 g/cm³. Considerando somente o comparativo entre a densidade seca dos dois locais, e sabendo que foram usados o mesmo solo na compactação de ambos locais, foi possível verificar que o compactador mecanizado apresentou uma compactação mais efetiva, pois apresentou uma densidade seca menor, consequentemente, um número de vazios menor, e logo, uma resistência maior do solo compactado.

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Estudos envolvendo a análise de efetividade dos compactadores, são uma novidade até então, pois os dois equipamentos são amplamente utilizados em obras de pequeno porte, porém, este uso ainda enfrenta práticas empíricas, sem embasamento teórico tanto do equipamento quanto do solo o qual compactam. Espera-se que a pesquisa executada contribua e incentive o estudo preliminar do solo a ser compactado, contribuindo na forma de oferecer dados que limitam e define faixas onde é viável ou não a utilização de um dos dois equipamentos estudados na presente pesquisa.

1,55 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05 11 12 13 14 15 16 17 18 19 De n si d ad e Se ca (g /c m³) Teor de Umidade (%) Compactador mecânico Compactador manual GC=97% GC=80%

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Os resultados encontrados, sugerem que a utilização do compactador mecanizado traz uma faixa de segurança maior quando se trata de altura de camadas de compactação, tornando assim, um equipamento muito produtivo quando comparado com o compactador manual.

Com o fim desta pesquisa foi possível analisar a diferença de operação dos dois compactadores, sendo bem nítido que devido a divergência na energia de compactação dos equipamentos utilizados, o compactador mecanizado se confirma como mais eficiente. No entanto, para dar mais robustez às análises feitas, é necessário avaliar, em pesquisas futuras, o custo da utilização de cada um dos equipamentos e como se dará a variação do desempenho destes com a variação do tipo de solo.

REFERÊNCIAS

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[6] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 7181 (2016b): Solo -

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[7] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 6459 (1984a): Solo -

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[12] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 7182 (2016b): Solo

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[13] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. DNER 092/94 (1994b):

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[15] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 7217 (1987):