Determinação dos limites de Atterberg
Descreveremos os ensaios para determinação do limite de liquidez, do limite de plasticidade e do limite de retração, que são os mais importantes na mecânica dos solos. Todos esses ensaios são realizados em amostras remexidas de solo coesivo.
Ensaio de determinação do limite de liquidez
Para este ensaio toma-se cerca de 200 p de solo no estado de humidade natural, sem grãos com diâmetro superior a 0,5 mm, que poderiam alterar a precisão dos resultados do ensaio. A amostra não deve ser seca em estufa, devendo ser colocada diretamente numa tigela de porcelana com água destilada, onde deve permanecer várias horas até ficar bem umedecida. Para argila com índice de plasticidade IP < 20, a umidificação dura cerca de 4 hora; para argila IP > 20, de 18 horas. Em seguida, a amostra umedecida é transferida para uma placa de vidro e bem misturada com auxílio de uma faca de laboratório, para se obter uma pasta espessa de composição uniforme. Se forem observadas partículas maiores que 0,5 mm, estas são removidas durante a mistura.
A amostra assim preparada é transferida para a taça de latão do aparelho de Casagrande para determinação do limite de liquidez (fig. 1), que nos nossos laboratórios é designado por agitador de Casagrande.
Fig. 1. Aparelho de Cassagrande para determinação do limite de escoamento
O aparelho consiste numa taça de latão, que é ligada ao aparelho por meio de uma ligação especial, numa base elástica de borracha dura, com um excêntrico na parte superior e uma manivela para girar, sendo que o excêntrico se eleva à altura de 1 cm, fazendo com que a taça caia e embata na base (fig. 1a). As dimensões do aparelho são normalizadas. Além disso, existe ainda uma lâmina perfilada de dimensões exatamente definidas (fig. 1b).
A amostra colocada na taça de latão é nivelada com uma faca de modo que a superfície da amostra fique perfeitamente plana, e que a amostra cubra um pouco mais de metade da parte frontal da taça, com a sua altura acima do ponto mais baixo do fundo da taça sendo de cerca de 12 mm. Em seguida, a taça é colocada no aparelho e, com a faca perfilada, corta-se um sulco no centro de modo que fique completamente reto e que o fundo de latão da taça fique visível, o que se consegue puxando cuidadosamente a faca perpendicularmente ao fundo da taça. O comprimento do sulco deve ser de cerca de 40 mm. Imediatamente a seguir, a manivela do aparelho é rodada à velocidade de 2 rotações por segundo, enquanto se contam os impactos da taça sobre a base e se observa o sulco, que, devido aos impactos da taça na base, se estreita, porque as partes cortadas da amostra se movem e tendem a unir-se. A rotação da manivela do aparelho prossegue até que o sulco se feche ao longo de um comprimento de 10 mm. Quando isso for alcançado, deixa-se de rodar a manivela e, em seguida, com a faca, retira-se imediatamente uma quantidade de amostra de cerca de 2 cm3 da zona em torno do sulco fechado, de ambos os lados, colocando-a em vidros de relógio e determinando-se a humidade do solo.
Este ensaio repete-se 3-4 vezes da mesma forma, mas sempre com humidade diferente, o que se obtém se a amostra for primeiro misturada com uma menor quantidade de água e, depois, se acrescentar água para os restantes ensaios. Após cada ensaio concluído, a amostra é vertida para uma placa de vidro, onde se adiciona um pouco de água e se mistura bem, de modo a obter uma massa pastosa uniforme, de consistência cada vez um pouco mais fluida.
Para realizar o ensaio, a pasta preparada não deve ser nem demasiado espessa nem demasiado fluida, porque estados de consistência do solo demasiado afastados do limite de liquidez não proporcionam a precisão necessária para este ensaio. Adota-se normalmente que, se o número de golpes for inferior a 10 ou superior a 50, o ensaio falhou, mas considera-se que a precisão do ensaio é melhor se o intervalo entre esses limites for de 10-40 golpes.
Regista-se que, segundo um procedimento, sempre que, após completar a rotação da manivela até ao fecho da ranhura numa extensão de 1 cm, a amostra na taça de latão é imediatamente misturada com uma lâmina e a superfície da amostra na taça é novamente nivelada, abre-se uma nova ranhura e, em seguida, roda-se a manivela do aparelho. Este procedimento repete-se até se obter, três vezes consecutivas, o mesmo número de golpes no fecho da ranhura numa extensão de 1 cm, número esse que é adotado para o procedimento subsequente na determinação do limite de liquidez. Os resultados do ensaio são representados num diagrama em escala semilogarítmica (fig. 2). No eixo das abcissas lança-se o número de golpes em escala logarítmica e no eixo das ordenadas a quantidade de água, em percentagem do peso seco da amostra, em escala aritmética. Como em cada ensaio a quantidade de água w é diferente, obter-se-ão os pontos A, B, C e D, correspondentes a um número diferente de golpes, sendo o número de golpes menor quanto maior for a quantidade de água e vice-versa. Ligando estes pontos, obtém-se uma reta inclinada, na qual se procura o ponto M para 25 golpes. A quantidade de água correspondente a este ponto é adotada como limite de liquidez wL.
Fig. 2. Determinação do limite de escoamento
Determinação do limite de plasticidade
A amostra de solo preparada da forma descrita acima, mas com menos água, de modo a constituir uma massa plástica aproximadamente em estado plástico tenaz, é reunida numa bola de cerca de 2-3 cm3, e depois enrolada com a palma da mão sobre papel comum ou absorvente, formando um cilindro com espessura de 3 mm. Se a amostra puder ser enrolada até essa espessura sem se romper, é novamente reunida numa bola e enrolada da mesma forma. Este procedimento repete-se até que o cilindro, com espessura de 3 mm, comece a romper-se. Em seguida, os cilindros partidos são colocados em vidros de relógio e determina-se a quantidade de água. Essa quantidade de água, expressa em percentagem do peso seco da amostra, corresponde ao limite de plasticidade wP.
Determinação do limite de retração
Fig. 3. Determinação do limite de retração
A amostra de solo é misturada com água destilada de acordo com o método descrito em Ensaio de determinação do limite de liquidez, de modo que a sua consistência fique aproximadamente no limite de liquidez, quando todos os poros estão saturados com água. Em seguida, forma-se uma pequena bola que é deixada secar primeiro ao ar, depois em estufa a 105°C. Esta sequência de secagem é necessária para evitar fissuras na amostra seca, que perturbariam o ensaio. Logo no início, mede-se o peso W1 da amostra e determina-se o seu volume V1 pelo ensaio de imersão em mercúrio; depois, continua-se a secagem ao ar e, em seguida, em estufa, com retiradas periódicas da amostra, arrefecimento em dessecador e medição do seu peso W2, W3, W4 etc. e do volume V2, V3, V4 etc. Desta forma, determina-se que, para um certo estado de humidade, o volume da amostra deixa de diminuir, embora o seu peso continue a baixar devido à secagem. Se a amostra, no seu estado inicial, estiver saturada com água, ou seja, não contiver ar nos poros, a perda de água por secagem até ao limite de contração corresponde aproximadamente à redução do volume da amostra. Depois disso, a secagem prossegue sem medição do volume, até que a amostra seque completamente, ou seja, até peso constante. Então determina-se a quantidade de água em percentagem do peso seco da amostra para cada medição do volume e do peso da amostra, e os resultados do ensaio são lançados num diagrama (fig. 3). Desta maneira obtêm-se os pontos A, B, C, D e E, que são ligados, de modo que normalmente se obtém uma linha com uma inflexão acentuada na região do limite de contração. No ponto de inflexão S obtém-se a humidade w que corresponde ao limite de contração _W_S.
Determinação da capilaridade
O ensaio para determinação da altura da ascensão capilar da água realiza-se de duas maneiras, nomeadamente por medição direta da altura da ascensão capilar da água e por medição indireta com auxílio de um capilarímetro.
Ensaio de determinação da altura capilar por medição direta
Da amostra perturbada retira-se cerca de 300 pondi de solo, que se seca a 105°C, depois, após arrefecimento, reduz-se a um pó muito fino, sem esmagar os grãos. O pó obtido é vertido para um tubo de vidro de diâmetro ø 25 mm, comprimento 1,5 - 2,5 m, aberto em ambas as extremidades, cuja extremidade inferior é previamente fechada com algodão de vidro ou um pedaço de tecido. Na extremidade superior aberta introduzimos o pó seco até uma altura de cerca de 10 cm, depois erguemos o tubo e deixamo-lo cair com impacto sobre um pavimento de madeira ou outro apoio elástico, até que se observe o assentamento do pó no tubo. O controlo do assentamento do pó é feito marcando linhas com giz gorduroso no tubo. Depois disso, introduzimos mais 10 cm de pó e repetimos o mesmo procedimento até encher o tubo com pó seco e compactado da amostra de solo, cuja capilaridade estamos a ensaiar. Em seguida, mergulhamos o fundo do tubo num recipiente de vidro com água destilada sem escoamento, de modo que a extremidade inferior do tubo não fique apoiada no fundo do recipiente (fig. 4). Fixamos o tubo de vidro a uma régua graduada, de modo que tanto o tubo como a escala fiquem verticais. Depois observamos a ascensão da água no tubo, que se reconhece claramente pela cor: a amostra seca é de cor clara, a húmida é escura. A distância entre o nível da água no recipiente e a borda superior da amostra húmida representa a altura da ascensão capilar hk.
Fig. 4. Determinação da altura da subida capilar da água por medição direta
A observação realiza-se, em regra, após 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 etc. horas. Os resultados da observação são lançados num diagrama, cujas abcissas representam o tempo em horas e as ordenadas as alturas da ascensão capilar da água em mm (fig. 5).
No material arenoso, a ascensão capilar é inicialmente rápida, depois mais lenta, e a altura final de ascensão é atingida rapidamente. No material argiloso, a ascensão capilar é inicialmente mais lenta, mas é mais prolongada e atinge uma altura consideravelmente maior.
Ovaj način određivanja kapilarne visine je dugotrajan, naročito kod glinovitog tla. Osim toga, visina kapilarnog penjanja zavisi od temperature vazduha kao i od njegove vlažnosti, zbog čega je potrebno da se ovi faktori održavaju što je moguće stalnijim.
Fig. 5. Diagrama da ascensão capilar da água no solo, a-areia; b-pó; c-solo argiloso
Ensaio de determinação da altura capilar com auxílio do capilarímetro
Existem vários capilarímetros de diferentes conceções, como os capilarímetros de Beskow, Jürgenson e Engelhardt. Aqui descreveremos o princípio de funcionamento do capilarímetro de Beskow, que é o mais utilizado.
Este ensaio realiza-se em amostras indeformadas ou remexidas. Se a amostra estiver remexida, então é introduzida no aparelho no estado de limite de escoamento.
Fig. 6. Capilarímetro de Beskow
O capilarímetro de Beskowa é composto por dois recipientes (fig. 6), ligados nas partes inferiores entre si por uma mangueira de borracha reforçada. No recipiente 1 coloca-se a amostra de solo sobre o fundo filtrante, enquanto abaixo dele há um recipiente parcialmente preenchido com água destilada e parcialmente com mercúrio, que na parte inferior está de modo a preencher também toda a mangueira de borracha e a parte inferior do recipiente 2. No início do ensaio, o nível de mercúrio em ambos os recipientes é o mesmo. Em seguida, o recipiente 2 é abaixado, criando-se abaixo do fundo filtrante do recipiente 1 uma subpressão. Quando essa subpressão se torna maior do que as forças capilares na amostra, o ar penetra pela amostra até o fundo filtrante e o nível de mercúrio em ambos os recipientes se iguala imediatamente depois pelo esvaziamento do recipiente 2. A diferença Hg entre os níveis de mercúrio em um e outro recipiente no momento da equalização da subpressão e das forças capilares, isto é, imediatamente antes de o ar começar a penetrar pela amostra, convertida para a altura da coluna de água e acrescida da altura da coluna de água h abaixo da amostra, fornece a altura capilar hk. Como o mercúrio é 13,6 vezes mais pesado do que a água, a altura da ascensão capilar hk é:
hk = 13,6 Hg + h
Determinação da permeabilidade do solo
O ensaio laboratorial de determinação da permeabilidade do solo realiza-se por meio de aparelhos especiais chamados permeâmetros. Existem diferentes construções de permeâmetros, que, no entanto, podem ser divididas em dois grupos: permeâmetros de pressão de água constante, para solos mais grosseiros, e permeâmetros de pressão de água decrescente para solos de grão fino. Em ambos os casos, o ensaio é realizado com amostras não perturbadas.
O coeficiente de permeabilidade do solo é determinado por ensaio de laboratório e o seu valor é expresso a uma determinada temperatura, devido à diferente viscosidade da água em diferentes temperaturas, o que afeta o valor do coeficiente de permeabilidade k. Na maioria das vezes, o coeficiente k é expresso à temperatura t =10°C. Assim, se 10°C, a temperatura da água na determinação do coeficiente k foi T diferente de t = 10°C, então o seu valor é recalculado pela fórmula:
k10oC = ηt /η10oC * kT
onde ηt e η10oC são a viscosidade da água à temperatura de trabalho T, respetivamente à temperatura adotada t =10°C.
kT valor obtido do coeficiente de permeabilidade do solo à temperatura de serviço T.
Os valores de viscosidade para diferentes temperaturas T são dados na tabela 1.
Ensaio com pressão de água constante
Fig. 7. Permeâmetro com pressão de água constante
Para este ensaio, toma-se uma amostra indeformada de solo num cilindro metálico de diâmetro D, altura h, com a borda inferior afiada, introduzindo-a no solo ou numa amostra maior indeformada. Depois de niveladas as superfícies superior e inferior da amostra com as bordas do cilindro, a amostra no cilindro é colocada no aparelho (fig. 7) entre o filtro superior e o inferior. O filtro inferior é composto por uma rede de malha fina e uma pedra filtrante, para permitir a passagem da água através da amostra e impedir o arraste de partículas do solo. O filtro superior é sem rede, porque existe menor possibilidade de arraste de partículas. O abastecimento de água para a amostra faz-se a partir do nível N, que é mantido constante por meio de um vertedouro, de modo que a pressão hidrostática H seja constante. Sob esta pressão, a água passa pela amostra com espessura h e, por meio de um tubo ligado à parte superior do aparelho, chega à proveta de vidro M, onde goteja.
Assim que a água começar a passar pela amostra para a proveta, colocamos o cronómetro em funcionamento e observamos a quantidade de água q que afluía para a proveta durante o tempo t. Segundo a lei de Darcy, é
q = k*A*t*i
onde k é o coeficiente de permeabilidade em cm/sec, A a área da seção transversal da amostra, i a perda de carga hidráulica, i = H/h.
Da equação acima temos k= qh/Ath [cm/sec].
A quantidade de água que passa através da amostra é lida em intervalos de tempo individuais, desde o início até ao fim da observação, de modo que dispomos tanto das quantidades parciais como da quantidade total de água que atravessou a amostra.
Para eliminar as bolhas de ar na amostra e na água, que podem levar a resultados incorretos do ensaio, é necessário que, antes do ensaio, a amostra esteja em estado saturado e que, para a realização do ensaio, se utilize água fervida ou, pelo menos, repousada.
Em vez do aparelho descrito acima, baseado na pressão hidrostática devido à diferença de nível da água H, existem também aparelhos em que a pressão hidrostática é produzida por pressão de ar de 10 a 15 kp/cm2, mantida constante por meio de um compressor.