Introdução
Compactação de solos é um procedimento no qual um solo sustenta a tensão mecânica e é densificado. O solo consiste em partículas sólidas e vazios preenchidos com água ou/e ar. Uma explicação mais detalhada da natureza trifásica dos solos é fornecida no Solo como um sistema trifásico. Quando sujeitas a tensões, as partículas do solo são redistribuídas dentro da massa do solo e o volume vazio diminui, resultando em densificação. A tensão mecânica pode ser aplicada por amassamento, ou através de métodos dinâmicos ou estáticos. O grau de compactação é quantificado através da medição da alteração do peso da unidade seca do solo, γd.
No âmbito das aplicações de engenharia, a compactação é particularmente útil uma vez que resulta em:
- Um aumento da resistência dos solos
- Uma diminuição da compressibilidade dos solos
- Uma diminuição da permeabilidade dos solos
Estes factores são cruciais em estruturas e aplicações de engenharia, tais como barragens de terra, aterros, apoio de pavimentos, ou apoio de fundações.
O grau de compactação depende das propriedades do solo, do tipo e quantidade de energia fornecida pelo processo de compactação e do teor de água do solo. Para cada solo, existe uma quantidade óptima de humidade para a qual pode experimentar a sua máxima compressão. Por outras palavras, para um determinado esforço de compactação, um solo está a atingir o seu peso máximo de unidade seca (γd,max), a um nível óptimo de conteúdo de água (wopt).
A compressibilidade de um solo relativamente seco aumenta à medida que a água lhe é adicionada. Ou seja, para níveis de teor de água secos de óptimo (wopt), a água actua como um lubrificante, permitindo que as partículas do solo deslizem umas em relação às outras, conduzindo assim a uma configuração mais densa. Para além de um determinado nível de água (húmido de óptimo, w>wopt), o excesso de água dentro do solo resulta num aumento da pressão da água porosa que empurra as partículas do solo para o lado. Uma correlação típica entre o peso da unidade seca e o teor de água é apresentada na Figura 1. Também vale a pena notar que, como se pode ver na Figura 2, para um determinado solo, a maior força é atingida apenas a seco de óptimo (Figura 2a), enquanto a menor condutividade hidráulica é atingida apenas a húmido de óptimo (Figura 2b). O efeito do esforço compactivo no peso máximo da unidade seca (γd,max), e o nível óptimo de conteúdo de água (wopt) pode ser observado na Figura 4. Com o aumento do esforço compactivo, γd,max aumenta, enquanto que o wopt diminui. Ou seja, um menor nível de água é suficiente para saturar uma amostra mais densa.
Figure 1: Efeito do teor de água no peso da unidade seca durante a compactação de um solo
Figure 2: Efeito do teor de água no solo a) resistência, e b) condutividade hidráulica
Proctor Compaction Test
O teste de laboratório mais comum para a compactação do solo é o teste de compactação do Proctor.
O teste de Proctor foi inventado na década de 1930 por R. R. Proctor, um engenheiro de campo para o Departamento de Abastecimento de Água, em Los Angeles, Califórnia. O processo, que simula os processos de compactação in-situ tipicamente realizados durante a construção de barragens de terra ou aterros, é o teste de laboratório mais comum realizado para derivar a compressibilidade dos solos.
O tipo de compactação e a energia fornecida para um dado volume de solo são padrão e, portanto, o teste concentra-se na alteração do teor de humidade de uma amostra para derivar o teor óptimo de água (wopt).
O teste Proctor padrão inclui um molde cilíndrico de 0,95 litros de volume no qual a massa do solo é colocada e compactada em 3 camadas. Cada camada é comprimida por queda de 25 vezes um peso de 2,5 kg, caindo de uma elevação de 30 centímetros.
Uma versão modificada do teste foi introduzida após a Segunda Guerra Mundial, na década de 1950, quando maquinaria pesada poderia resultar numa maior compactação. Na nova abordagem, o molde cilíndrico permanece o mesmo, no entanto, o peso da queda é aumentado para 4,5 kg e a altura da queda para 45 centímetros. Além disso, o solo é compactado em 5 camadas com 25 golpes por camada.
O teste é realizado para 5 teores de humidade para obter o teor óptimo de água (wopt), para o qual o valor do peso da unidade seca é máximo (γd,max).
Equipamento de teste
O equipamento utilizado para realizar o teste inclui:
- molde de compactação cilíndrica de 10 centímetros de diâmetro equipado com uma base e um colarinho
- Rampador de rolos com 2,5 kg ou 4,5 kg, dependendo se o padrão do teste modificado é realizado
- No.4 Peneira
- Reta de aço
- Containers de elevação
- Cilindro graduado
- Mixer
- Forno controlado
- Bandeja metálica e uma colher
Moldes cilíndricos de compactação típicos e compactadores são mostrados na Figura 3.
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p>p>Figure 3: Moldes de Proctor e compactadores (ASTM/AASHTO) por Grupo de Controlo (para mais informações, clique aqui)
Procedimento de Teste
O procedimento do Teste de Compactação de Proctor consiste nos seguintes passos:
- Bter cerca de 3 kg de terra.
- Passar a terra através da peneira nº 4.
- Pesar a massa da terra e o molde sem a gola (Wm).
- Passar a terra no misturador e adicionar gradualmente água para atingir o teor de humidade desejado (w).
- Aplicar lubrificante ao colar.
- Retirar a terra da misturadora e colocá-la no molde em 3 ou 5 camadas, dependendo do método utilizado (Proctor Standard ou Proctor Modificado). Para cada camada, iniciar o processo de compactação com 25 golpes por camada. As gotas são aplicadas manualmente ou mecanicamente a um ritmo constante. A massa do solo deve encher o molde e estender-se até ao colar mas não mais de ~1 centímetro.
- Retirar cuidadosamente o colar e aparar o solo que se estende acima do molde com uma aresta recta afiada.
- Pesar o molde e o solo que o contém (W).
- Extrudir o solo do molde utilizando uma extrusora metálica, certificando-se de que a extrusora e o molde estão em linha.
- Medir o teor de água da parte superior, média e inferior da amostra.
- Colocar novamente a terra na misturadora e adicionar água para obter um teor de água mais elevado, w.
Cálculos
Primeiro, o teor de água de compactação (w) da amostra de terra é calculado utilizando a média das três medições obtidas (parte superior, média e inferior da massa de terra).
Subsequentemente, o peso da unidade seca (γd) é calculado da seguinte forma:
em qualquer lugar: W = o peso do molde e a massa do solo (kg)
Wm = o peso do molde (kg)
w = o conteúdo de água do solo (%)
V = o volume do molde (m3, normalmente 0,033m3)
Este procedimento deve ser repetido por mais 4 vezes, dado que o conteúdo de água seleccionado será tanto inferior como superior ao óptimo. Idealmente, os pontos seleccionados devem ser bem distribuídos com 1-2 deles próximos do teor óptimo de humidade.
Os pesos da unidade seca derivada juntamente com os correspondentes teores de água são traçados num diagrama juntamente com a curva de zero-vácuo, uma linha mostrando a correlação do peso da unidade seca com o teor de água, assumindo que o solo está 100% saturado. Não importa quanta energia é fornecida à amostra, é impossível compactá-la para além desta curva. A curva zero-voids é calculada da seguinte forma:
em qualquer lugar: GS = a gravidade específica das partículas do solo (tipicamente, GS~2,70)
γW = o peso da unidade saturada do solo (kN/m3)
curvas típicas derivadas dos testes Standard e Modified Proctor, bem como a curva de vazios de ar zero são apresentadas na Figura 4.
Figure 4: Curvas típicas derivadas dos testes de Proctor Standard e Modificado. A curva dos vazios de ar zero também é mostrada