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3. Compactação O estudo da técnica e controle da compactação é relativamente recente e tem sido desenvolvido principalmente para a construção de aterros. A compactação é um processo no qual se visa melhorar as propriedades do solo garantindo certa homogeneidade, procedendo-se a eliminação do ar. 3. 1 – Introdução: Porter desenvolveu a teoria de compactação para verificar a influência do teor de umidade na qualidade final de um solo compactado. Ralph Proctor, em 1933, publicou uma série de artigos, divulgando o seu método de controle de compactação, baseado num novo método de projeto e construção de barragens de terra compactadas que estava sendo empregado na Califórnia; onde é apresentado que a densidade com que um solo é compactado, sob uma determinada energia de compactação, dependo do teor de umidade no momento de compactação. 3. 2 – Ensaios de Compactação 3. 2.1 – Introdução Teórica Proctor desenvolveu um ensaio dinâmico para determinação experimental da curva de compactação (massa específica aparente seca (γs) versus teor de umidade (h)) (figura 3.1).
γs (g/cm³)
γs máx ramo seco
ramo úmido
hot
h (%)
Figura 3.1 – Curva de compactação Na figura 3.1, no ponto de inflexão da curva determinamos o teor de umidade ótimo (hot) que representa que se um solo for compactado com a energia do ensaio, nesse teor de umidade ele apresentará a massa específica aparente seca máxima. O ramo ascendente da curva de compactação é denominado ramo seco e o ramo descendente, de ramo úmido. No ramo ascendente, a água lubrifica as partículas e facilita o arranjo destas, ocorrendo por essa razão, o acréscimo da massa específica aparente seca. Já no ramo descendente, a água amortiza a compactação e começa a ter mais água do que sólidos, sendo por essa razão que a massa específica aparente seca decresce. Rita Moura Fortes 1/12
Para uma mesma energia, solos de granulometria diferente apresentam valores de teor de umidade ótimos e massa específica aparente seca máxima na ordem de grandeza da tabela 3.1, resultando em curva de compactação conforme estão dispostas na figura 3.2. Tabela 3.1. – valores médios de teor de umidade ótimo e da massa específica aparente seca máxima dos solos, conforme sua granulometria. Granulometria hot (%) γsmax. (kg/ m³) médios Areias 7 a 12 2000 Siltes 18 a 25 1600 Argilas 30 a 40 1300
γs(g/cm³) areia silte argila
h Figura 3.2 – curvas de compactação de solos compactados com a mesma energia. Já de acordo com a energia aplicada as curvas de compactação de um solo se dispõe segundo a figura 3.3. γs(g/cm³)
E
h (%) Figura 3.3 – Curvas de compactação de um mesmo solo compactado com energias diferentes. Rita Moura Fortes 2/12
O ensaio de Proctor é normalizado pelo método de ensaio NBR 7182, sendo que as energias especificadas na norma são: normal, intermediária e modificada, variandose com esta finalidade, as dimensões do molde e do soquete, número de camadas e golpes, conforme pode ser observado na tabela 3.2. Tabela 3.2 – Características inerentes a cada energia (compilado da NBR 7182). Cilindro Pequeno
grande
Característica inerentes a cada energia de compactação Soquete Número de camadas Número de golpes por camada Soquete Número de camadas Número de golpes por camada Altura do disco espaçador (mm)
Normal
Energia Intermediária
Modificada
Pequeno 3 26 grande 5 12 63,5
Grande 3 21 grande 5 26 63,5
Grande 5 27 grande 5 55 63,5
O ensaio pode ser realizado de cinco maneiras: com ou sem reuso de material, sobre amostras preparadas com secagem prévia até a umidade higroscópica ou sobre amostras preparadas a 5 % abaixo da umidade ótima presumível ou sem reuso de material, sobre amostras preparadas a 3 % acima da umidade ótima presumível. Na figura 3.4 está apresentado a preparação da amostra desde a secagem ao ar livre, destorroamento até a umidificação para obtenção de diferentes pontos (5 teores de umidade).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Figura 3.4 Amostra deformada secando ao ar livre (a); seca (umidade higroscópica) (b); colocação em caixas (c); preparação da amostra com diferentes teores de umidade (5 teores) e (d) homogeneização (e). Após a amostra ter sido homogeneizada, é realizada a compactação, utilizando-se o molde pequeno ou o grande (vide figura 3.5) quando se compactar o solo para a realização do ensaio CBR.
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(a)
(b)
Figura 3.5 – Compactação Proctor (a) cilindro pequeno e soquete pequeno (b) cilindro grande e soquete grande. É colocado o papel filtro (figura 3.6 (a)) e lançada a quantidade de solo em camadas (vide esquema da figura 3.6 (b), conforme energia especificada (energia, normal intermediária ou modificada), tomando-se o cuidado de escarificar a face superior da camada compactada, antes de lançar a próxima, para promover a aderência entre ambas. Na figura 3.6 (c) está apresentada a compactação utilizando-se o cilindro grande. Após a compactação, o cilindro com o solo é pesado (figura 3.6 (d)) e finalmente o corpo de prova é extraído do molde (figuras 3.6 (e) e (f)).
(a)
(d)
(b)
(c)
(e)
(f)
Figura 3.6 – (a) Colocação de papel filtro no molde; (b) esquema de compactação (soquete leve e soquete pesado); (c) compactação cilindro grande; (d) pesagem do corpo de prova após a compactação; (e) e (f) extração do corpo de prova. Com os resultados obtidos no ensaio de compactação são efetuados cálculos para a: Rita Moura Fortes 4/12
a) determinação da massa específica aparente seca (γs), dada pela fórmula: Mh x 100 γs = -----------------------------V x (100 + h)
(1)
Onde: γs = massa específica aparente seca, geralmente em g/cm³ ; Mh = massa úmida do solo compactado, geralmente em g ; V = volume útil do molde cilíndrico (interno), geralmente em cm³ ; h = teor de umidade do solo compactado, em % .
b) determinação da curva de saturação, dada pela fórmula: S γs = -------------------------------h S ( ------ + ------- ) γa δ Onde: γs
= massa específica aparente seca, geralmente em g/cm³;
S
= grau de saturação, considerado igual a 100% ;
h
= teor de umidade em % ;
γa
= massa específica da água, geralmente em g / cm ³ ( considerada igual a 1,00 g/cm³ ) ;
δ = massa específica dos grãos do solo (determinado de acordo com a NBR 6508 ou 6458, em g/cm³) ;
São apresentados os seguintes resultados: Rita Moura Fortes 5/12
b) c) d) e)
a) curva de compactação : é a curva resultante da representação gráfica dos valores do teor de umidade em abcissas, versus os respectivos valores da massa específica aparente seca, e deve possuir o formato aproximadamente parabólico; valor da massa específica aparente seca máxima, com aproximação de 0,01 g/ cm³, obtido através da leitura da massa específica aparente seca do ponto de inflexão da curva de compactação; valor do teor de umidade ótimo, obtido pela leitura do teor de umidade correspondente ao de massa específica aparente seca máxima, obtido na alínea b), na curva de compactação, com aproximação de 0,1 % ; curva de saturação ( S = 100% ) ; características do ensaio: processo de preparação da amostra, energia; cilindro de compactação utilizados e processo de execução do ensaio.
3.2.2 – Moisture Condition Value ( MCV ) O MCV é um ensaio de compactação por impacto, apresentado por Parsons (1976) do Transport and Road Research Laboratory – Departament of Enviroment do Governo Britânico, que foi desenvolvido originalmente para: a) Avaliar rapidamente as condições de umidade dos solos nas camadas compactadas. b) O teor de umidade mais adequado para compactação do aterro. c) Avaliação das condições mais propícias para maior eficiência dos equipamentos de terraplenagem. Com as seguintes vantagens sobre o método proposto por Proctor: a) a energia é aplicada com soquete de seção plena, sendo portanto distribuída por igual em toda a superfície a ser compactada. b) têm-se uma família de curvas de compactação (teor de umidade versus massa específica aparente seca ), referente aos diversos valores de energia. O ensaio MCV consiste basicamente em determinar o número de golpes necessários para compactação completa de uma amostra de solo. Como aqui entre nós, tem sido utilizado o ensaio mini MCV, desenvolvido por Nogami e Villibor, e que apresenta uma classificação para solos tropicais. 3.3. Tipos de compactação 3.3.1 pisoteamento 3.3.1.1 no campo : é uma compactação realizada com rolo pé–de– carneiro, cuja massa com tambores vazios é de 5 a 12 tf, podendo ser enchido com lastro de areia úmida, aumentando a sua massa para de 7 a 17 tf. Cada tambor possui de 96 a 120 patas, sendo a pressão máxima dos pés sobre o solo quando o compressor apoia– se em uma única fileira de patas, de 10 a 20 MPa (figura 3.7(a)). Após a compactação, o solo se apresenta como mostrado na figura 3.7 (b) e (c). Nas especificações gerais são fornecidos dados tais como o peso do equipamento, diâmetro do cilindro, número de patas, altura, área de contato, velocidade à frente e ré. O mecanismo de compactação se dá de baixo para cima (vide figura 3.8), em camadas com espessura menor que altura da pata, devendo o solo estar com teor de umidade próximo ao teor de umidade ótimo, com a finalidade de se obter a massa específica Rita Moura Fortes 6/12
aparente seca máxima. Se o solo estiver com o teor de umidade menor que hot, deve-se umedecer a camada e caso contrário, deve-se revolver o solo com um escarificador e esperar secar (figura 3.9).
(a)
(b)
(c)
Figura 3.7 (a) Rolo pé de carneiro (b) e (c) superfície após a compactação.
Figura 3.8 Esquema de compactação por camadas. Da esquerda para a direita, caminhão basculante, trator de esteiras (dozer) e rolo de compactação.
Figura 3.9 – Revolvimento do solo com escarificador para secagem. É principalmente recomendado para solos argilosos e siltosos. A espessura média da camada de solo solto é da ordem de 20 a 25 cm, sendo usual de 8 a 10 passadas, e a velocidade de compactação não ultrapasse 4 km/h. Rita Moura Fortes 7/12
Geralmente quando se interrompe a compactação de um aterro, é usual se selar a camada, passa para esta finalidade o rolo liso procurando dar caimento para o escoamento das águas pluviais. Antes de se iniciar ou reiniciar a compactação da camada selada (lisa), deve-se escarificá-la com a finalidade de se obter uma melhor aderência entre as camadas. Percebe-se visualmente que o solo está compactado quando o rolo de pé de carneiro não penetra mais no solo (anda na ponta dos pés). 3.3.1.2 No laboratório: foi desenvolvido em 1948 , na Universidade de Harward , compactando-se o solo em um cilindro de cerca de 10 cm² de área e 10 cm de altura, em 10 camadas com o pisoteador constituído por uma haste de 12 mm de diâmetro acionada por mola cujo esforço é geral de 9 kg e o número de golpes 25. 3.3.2 Impacto É uma compactação dinâmica. 3.3.2.1 No campo: É realizada com o sapo ou soquete vibratório, podendo ser a gasolina, com motor de 2 tempos ou a explosão diesel ou motor trifásico de 2CV, com massa de aproximadamente de 55 kg, compactando-se camadas com profundidade de até 30 cm. Existem os soquetes manuais de ar comprimido utilizados para compactar junto às paredes onde é impossível utilizar-se de outros compactadores, que são usualmente denominados de “sapo”, conforme mostrado na figura 3.10.
Figura 3.10 Soquete manual (sapo). Têm-se também utilizado grandes pesos de 10 a 40 tf que são erguidos através de guindaste, caindo de 10 a 20 cm de altura, podendo compactar camadas com espessura de 5 a 15 cm. Rita Moura Fortes 8/12
3.3.2.2 no laboratório: temos os ensaios: a) normal de compactação (Proctor standard) b) ensaio Proctor modificado: ensaio similar ao Proctor standard, utilizando-se o solo em 5 camadas com 55 golpes cada. 3.3.3 vibração 3.3.3.1 no campo: equipamentos que utilizem vibração além do peso próprio . Placas e Rolos Vibratórios : são utilizados para compactar materiais granulares como os solos grossos com menos de 12% passando na peneira de malha 0,075 mm ( areia, pedregulhos, britas ), sendo também adequados para solos com 4 a 8% passando nessa peneira. A espessura da camada compactada deve situar – se em torno de 20 a 25 cm, ou seja, a camada de solo é da ordem de 60 a 100 cm. O número de passadas está geralmente na faixa de 2 a 4, com uma pressão de 8 kgf/cm² , sendo que sua velocidade ultrapassa 8 km/h. A vibração é geralmente causada pela ação de dois discos excêntricos movidos por um motor a gasolina. O vibrador pode ser montado sobre um rolo compressor liso ( ou mesmo rolo pé de carneiro ) sobre uma placa de aço lisa (figura 3.11).
Figura 3.11 Efeito da compactação sobre a camada de solo. O controle de compactação é realizado visualmente, efetuando-se passadas suficientes para que não haja abatimento visível da camada, além de efetuar os controles de praxe (grau de compactação e desvio do teor de umidade). Milton Vargas desaconselha a utilização de rolos compressores vibratórios pé de carneiro, pois a vibração não pode produzir compactação alguma em solos que possuem alguma coesão, sendo que o efeito da vibração só serviria para aumentar o peso de pé de carneiro por efeito dinâmico, saindo, portanto, mais econômico aumentar–lhe o peso estático. 3.3.4 estática 3.3.4.1 no campo: pode ser do tipo:
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a)
Rolo Liso: composto por um cilindro de aço oco , podendo ser enchido com areia ou pedregulho, com a finalidade de aumentar a pressão aplicada. Podem ser de apenas uma roda ( rolo ), duas em tandem, em três. São indicados para compactação de pedregulhos, areia, pedra britada, com camadas de espessura de 5 a 15 cm. Por causa de sua pequena superfície de contato são utilizados na compactação do capeamento e em base de estrada (figura 3.12).
Figura 3.12 Rolo liso. Os rolos tipo tandem são utilizados na compactação de bases e subleitos de estradas sendo encontrados com peso de um a vinte toneladas. Geralmente 4 passadas são suficientes para compactar camadas de 15 a 20 cm de profundidade. Já os de 3 rodas são utilizadas para compactar solos finos com pesos de 6 a 7 t para material de baixa plasticidade e de 10 t para material de alta plasticidade, sendo 6 passadas suficientes para compactar de 15 a 20 cm de espessura. b) Rolo Pneumático: são indicados para a compactação de solos de granulação fina arenosa (siltes ou areias finas), capas asfálticas, bases e sub-bases de estradas. E caracterizado pela pressão de área de contato com o solo, que dependem da pressão de área de contato com o solo, que dependem da pressão de enchimento dos pneus e do peso do compressor. Os pesos operacionais podem ir de 10 a 100 tf com pressões de 5 a 10 atm. Se de grande peso, com pneus de grande área de contato, podem compactar espessuras de 30 a 50 cm de solo solto. Como deixa um acabamento superficial liso, para aumentar a aderência entre a camada e a outra é preciso escarificar a superfície antes de compactar a próxima camada. O mecanismo de compactação se dá de cima para baixo. É usual dar-se de 4 a 6 passadas, sendo que sua velocidade situa-se na faixa de 4 a 6 km/h. 3.3.4.2
No laboratório: O ensaio é realizado no molde Harvard Miniatura de diâmetro interno igual a 3,5 e 9 cm de altura, sendo o corpo de prova (c.p.) levado a romper numa prensa hidráulica, por compressão simples.
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3.4 Controle da Compactação Nos itens anteriores foram descritos vários controles “práticos” obrigatórios. Além dos métodos mais complexos, Milton Vargas resume que deve – se observar: a) Lançamento das camadas com espessuras não maiores que 30 cm de material fofo, incluindo – se nesse 30 cm, a parte superficial fofa da camada anterior ( 2 a 5 cm ) . Esta espessura das camadas deve ser rigorosamente controlada por meio de estacas ( topografia ) . Uma segunda condição será de que as camadas, depois de compactadas, não devem ter mais de 20 cm de espessura média. A medida dessa espessura média será feita por nivelamentos sucessivos da superfície do aterro, por exemplo, a cada 10 camadas compactadas; b) Manutenção do teor de umidade do solo próxima a ótima por meio manual: na umidade ótima, o solo pode ser aglutinado em bolas por esforço da mão, sem sujar as palmas. A correção da umidade é feita por secagem do solo acompanhada de aeração por meio de arados de discos, ou pelo contrário, por meio de caminhões e irrigadeiras; c) Homogeneização das camadas a serem compactadas, tanto no que se refere à umidade como ao material. Isso se obterá com o uso de escarificadores e arados de disco; d) Passagem do compressor pé de carneiro até que ele não consiga imprimir marcas de suas patas, no solo, com mais de 5 cm de profundidade. Quando a compactação é feita com compressor de pneus, ela será levada até a formação de uma superfície lisa, porém, depois essa deve ser escarificada, numa profundidade máxima de 5 cm, para se fazer a ligação das próximas camadas. Além de se especificar a espessura da camada, equipamento de compactação e número de passadas, é de suma importância a obtenção dos seguintes parâmetros de compactação: a) grau de compactação ( GC ) : é a relação entre a massa específica aparente seca a ser medida no campo e massa específica aparente seca máxima obtida no ensaio de laboratório.
γs ( campo ) GC = ---------------------------------------------γsmáx. ( laboratório )
x
100 %
Onde: GC = grau de compactação, dado em porcentagem; γs ( campo ) = massa específica aparente seca obtida no campo γs máx ( laboratório ) = massa específica aparente seca máxima obtida no laboratório. Para se obter a massa específica aparente seca do solo no campo, após a compactação pode-se utilizar o método para determinação da massa específica Rita Moura Fortes 11/12
aparente com emprego do frasco de areia (figura 3.13) ou o da cravação do cilindro (no caso do solo ser fino).
Figura 3.13 – Ensaio para determinação da massa específica aparente com emprego do frasco de areia. Um dos maiores problemas está na obtenção do teor de umidade, no campo, através de métodos simples e expeditos como: o da frigideira ou o do álcool, que apresentam o perigo de queimar partículas do solo, o do Speedy, onde a utilização das cápsulas de carbureto de cálcio levam à resultados pouco precisos com solos plásticos; o da estufa, que é incompatível com a liberação imediata da camada compactada e por fim, a utilização de outros métodos que apresentam custo elevado (estufa infra vermelho). Visando contornar esse problema, Jack Hilf do Bureau of Reclamation, desenvolveu uma teoria denominada método Hilf, através da qual é possível obter-se um controle rápido aproximado. O projetista geralmente especifica que o GC seja de no mínimo 95%. b) desvio do teor de umidade (∆ h) : é a diferença entre o teor de umidade do solo que foi compactado e o teor de umidade ótimo obtido no laboratório. ∆ h = |h campo -h ótimo| O projetista geralmente especifica que ∆ h seja mais ou menos 2% do hot.
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