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Manuella Suellen Vieira Galindo
Desenvolvimento de uma Metodologia para Determinação da Viscosidade de Solos
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.
Orientador: Prof. Tácio Mauro Pereira de Campos
Rio de Janeiro Maio de 2013
Manuella Suellen Vieira Galindo
Desenvolvimento de uma Metodologia para Determinação da Viscosidade de Solos
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Prof. Tácio Mauro Pereira de Campos Orientador
Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Prof. Eurípedes do Amaral Vargas Júnior Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Profª. Mônica Feijó Naccache Departamento de Engenharia Mecânica - PUC-Rio
Prof. George de Paula Bernardes UNESP-Guaratinguetá
Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio
Rio de Janeiro, 03 de maio de 2013
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e do orientador.
Manuella Suellen Vieira Galindo
Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Alagoas - UFAL em 2010. Foi bolsista do Programa de Educação Tutorial - PET no período de 2006 a 2010. As principais áreas de interesse e linhas de pesquisa são: Mecânica dos Solos, Geotecnia Experimental e Solos não Saturados.
Ficha catalográfica
Ficha Catalográfica
CDD: 624
Galindo, Manuela Suellen Vieira
Desenvolvimento de uma metodologia para determinação da viscosidade do solos / Manuella Suellen Vieira Galindo ; orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos – 2013.
122 f. il. (color.) ; 30 cm
Dissertação (mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2013.
Inclui bibliografia
1. Engenharia civil – Teses. 2. Reologia. 3.
Viscosidade de solos. 4. Ensaio de abatimento de tronco
de cone. 5. Corridas de massa. I. Campos, Tácio Mauro
Pereira de. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.
Para meus pais, Maria Suely e Valdemir, e para meu irmão, Philipe, pelo
apoio e amor incondicional.
Agradecimentos
A Deus por ser minha fortaleza em épocas de tormenta e por todas as graças
alcançadas.
Aos meus pais, Suely e Valdemir, que entenderam minhas lágrimas em épocas de
estresse, incentivando-me a não desistir nunca. Sou imensamente grata por vocês
estarem ao meu lado em todos os momentos.
Ao meu irmão, Philipe, pelos momentos de conversa e descontração.
A todos os meus familiares que sempre ficaram na torcida pelo meu sucesso.
Ao meu orientador, Tácio Mauro Pereira de Campos, pelas discussões, dúvidas
tiradas e por ensinar-me o caminho a seguir.
Ao professor Franklin Antunes pela sua paciência, carinho e por todos os
ensinamentos transmitidos.
Ao professor Paulo Mendes que mesmo sem me conhecer foi bastante solícito,
abrindo-me as portas do mundo da reologia.
Aos membros da banca examinadora por todas as sugestões e críticas construtivas
feitas a este trabalho.
Aos técnicos do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, Amauri,
Deivid e Josué, por estarem sempre dispostos a ajudar, e a engenheira Mônica pela
atenção e cooperação.
A todos os membros do Laboratório de Reologia da PUC-Rio, em especial a
Alexadra, Carol e Paula que me ajudaram com os testes reológicos e ao técnico
Denilson pelos momentos do café.
Aos técnicos do Laboratório de Estruturas da PUC-Rio, José Nilson e Euclides, pelas
ideias de melhoria na concepção do equipamento.
Aos meus irmãos do coração, Ingrid, Mariana e Thiago, por todo o apoio concedido
durante esses dois anos, por sempre me mostrarem uma luz no final do túnel quando
eu me achava perdida em meio à escuridão das incertezas e dúvidas se um dia eu
conseguiria fazer o meu equipamento funcionar. Vocês foram fundamentais para a
realização deste trabalho.
Aos meus queridos amigos: Bianca, Nathália, Roberta, Renata, Orosco, Paola, Perlita,
Lidia, Gary, Miriam, Ronald, Carlos, Hugo, João e Mário, por todos os momentos de
descontração e estudos intensos.
As minhas queridas amigas e companheiras de quarto, Ivânia e Lana, por ouvirem
minhas lamentações e me ajudarem nessa luta diária.
A ALTA Geotecnia Ambiental, por me proporcionar o contato com a parte prática da
engenharia geotécnica. Álvaro, Débora, Alexandre, Guilherme, Elaine, André Barros,
André Carvalho, Kadson e Taíse; muito obrigada pelos ensinamentos e por todo o
apoio.
A todos os meus amigos de Maceió que mesmo espalhados pelo Brasil sempre
torceram pelo meu sucesso: Luciana, Ingrid, Marcus, Celso, Alline, Hélvio, Michelle,
Artur, Gabi, Maria Elisa, Daysy e Natália, obrigada pelo apoio.
Ao CNPq e à PUC-Rio pelos incentivos concedidos.
A todos que de forma direta ou indireta contribuíram para a realização deste trabalho.
Resumo
Galindo, Manuella Suellen Vieira; De Campos, Tácio Mauro Pereira. Desenvolvimento de uma metodologia para determinação da
viscosidade de solos. Rio de Janeiro, 2012, 122p. Dissertação de mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para
determinação experimental da viscosidade de solos, visando subsidiar estudos
associados ao desenvolvimento de corridas de massa. Este parâmetro reológico é
importante não somente para a determinação dos valores de velocidade, como
também para a delimitação de áreas a serem afetadas por tal tipo catastrófico de
movimento. Para o alcance do referido objetivo, foi desenvolvido um
equipamento a partir de adaptações no conjunto de abatimento de tronco de cone,
utilizado para a realização de estudos em concreto, e estabelecida uma
metodologia padrão a ser empregada nos ensaios voltados para a determinação da
viscosidade em solos. De posse da taxa de cisalhamento, grandeza variável em
função da umidade do material e obtida como resultado do ensaio realizado no
equipamento desenvolvido, foram realizados testes reológicos em reômetro placa-
placa e viscosímetro de Brookfield, buscando-se correlacionar umidade, taxa de
cisalhamento e viscosidade. Foram analisados quatro solos de litologias
diferentes, o que permitiu uma boa espacialização dos resultados obtidos,
culminado com a determinação de uma equação em que a viscosidade pode ser
estimada em função da taxa de cisalhamento.
Palavras-chave
Reologia; viscosidade de solos; ensaio de abatimento de tronco de cone; corridas de massa.
Abstract
Galindo, Manuella Suellen Vieira; De Campos, Tácio Mauro Pereira (Advisor). Development of a methodology for the determination of the
soil viscosity. Rio de Janeiro, 2012, 122p. Msc. Dissertation - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
This research presents a proposal for experimental determination of the soil
viscosity in order to evaluate the development of debris flows. This rheology
parameter is important for determining not only the velocity values, but also to
delimitate the area to be affected by a debris flow. For this, a device was
developed from adaptations in slump test, used for studies on concrete, and
established a standard methodology to be used in tests aimed at determining the
viscosity in soils. In possession of the shear rate, which varies depending on soil
moisture, obtained as a result of the test performed on the equipment developed
rheological tests were performed on plate-plate rheometer and Brookfield
viscometer. After that, correlations of the soil moisture, the shear rate and the
viscosity of each sample were established. At total, four different lithologies of
soil were analyzed, which allowed a good spatial distribution of the results,
culminating in the determination of an equation in which the viscosity can be
estimated as a function of the shear rate.
Keywords
Rheology; viscosity of soils; slump test; debris flows.
Sumário
1 Introdução 21
2 Revisão bibliográfica 24
2.1. Aspectos conceituais relacionados à reologia 24
2.1.1. Tensão, deformação e viscosidade 26
2.1.1.1. Tensão 26
2.1.1.2. Deformação 27
2.1.1.3. Viscosidade 28
2.2. Classificação dos modelos reológicos 30
2.2.1. Fluidos Newtonianos 31
2.2.2. Fluidos não-Newtonianos 31
2.3. Medição das propriedades reológicas 35
2.3.1. Viscosimetria 35
2.3.2. Reometria 36
2.4. Reologia do concreto fresco 39
2.5. Reologia de solos 42
3 Características dos locais estudados 46
3.1. Campo Experimental II PUC-Rio 47
3.1.1. Localização e amostragem 47
3.1.2. Geologia e geomorfologia 48
3.1.3. Aspectos climáticos 49
3.2. Bacias dos rios Quitite e Papagaio 50
3.2.1. Localização e amostragem 50
3.2.2. Geologia e geomorfologia 51
3.2.3. Aspectos climáticos 52
3.3. Reserva Biológica doTinguá 52
3.3.1. Localização e amostragem 52
3.3.2. Geologia e geomorfologia 54
3.3.3. Aspectos climáticos 54
4 Caracterização física, química e mineralógica dos solos 56
4.1. Caracterizações físicas 56
4.1.1. Massa específica dos grãos (ρs) 56
4.1.2. Análise granulométrica conjunta 57
4.1.3. Limites de consistência e atividade das argilas 60
4.1.4. Classificação do solo 60
4.2. Caracterização química 61
4.2.1. Análise química total 61
4.3. Caracterização mineralógica 61
4.3.1. Análise térmica diferencial (ATD) 62
5 Equipamentos e Técnicas Experimentais 65
5.1. Medida direta da viscosidade 65
5.1.1. Viscosímetro de Brookfield 65
5.1.2. Reômetro 67
5.2. Medida indireta da viscosidade 73
5.2.1. Abatimento do tronco de cone tradicional 73
5.2.2. Abatimento do tronco de cone modificado 75
6 Abatimento do tronco de cone desenvolvido 79
6.1. Componentes do equipamento 79
6.1.1. Estrutura de sustentação 79
6.1.2. Tronco de cone 81
6.1.3. Manta antiaderente 81
6.1.4. Dispositivo de monitoramento dos deslocamentos verticais 82
6.2. Procedimento experimental 88
6.3. Limitações do equipamento 91
7 Apresentação e análise dos resultados 94
7.1. Abatimento do tronco de cone 94
7.2. Viscosímetro de Brookfield 100
7.3. Reômetro 101
7.4. Análise conjunta: abatimento de tronco de cone e reômetro 104
8 Conclusões e sugestões 110
8.1. Conclusões 110
8.1.1. Abatimento do tronco de cone 110
8.1.2. Comportamento reológico: análise da viscosidade 111
8.2. Sugestões para trabalhos futuros 112
9 Referências Bibliográficas 113
Lista de Figuras
Figura 1 - Notação matricial e representação gráfica do tensor tensão 27
Figura 2 - Conceito de deformação: (A) rotação sem deformação;
(B) deformação por cisalhamento; (C) deformação normal (Bretas & D’Ávila,
2000) 27
Figura 3 - Modelo de placas paralelas proposto por Newton para explicar o
conceito de viscosidade (Barnes et al, 1969) 28
Figura 4 - Esquema da classificação dos fluidos reais
(Adaptado de Mothé, 2007) 30
Figura 5 - Comportamento reológico dos fluidos independentes do tempo
(Adaptado de Fox & McDonald, 1998) 33
Figura 6 - Diferentes geometrias apresentadas pelos reômetros rotacionais:
a) cilindros coaxiais; b) cone-placa; c) placa-placa (Vliet & Lyklema, 2005) 37
Figura 7 - Reologia do concreto: a) mesma tensão de escoamento e diferentes
viscosidades; b) mesma viscosidade e diferentes tensões de escoamento
(Adaptado de Ferraris, 1999) 40
Figura 8 - Reômetro motorizado desenvolvido por Karmakar &
Kushwaha (2007) 43
Figura 9 - Correlação entre a tensão de escoamento e a concentração de
sedimentos (O’Brien & Julien, 1988) 45
Figura 10 - Correlação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos
(O’Brien & Julien, 1988) 45
Figura 11 - Localização do Campo Experimental II da PUC-Rio
(Beneveli, 2002) 47
Figura 12 - Coleta do material do Campo Experimental II da PUC-Rio 47
Figura 13 - Descrição morfológica do perfil do Campo Experimental II
da PUC-Rio (Dylac, 1994) 49
Figura 14 - Localização das bacias dos rios Quitite e Papagaio e modelo
digital do terreno em alta resolução (2m x 2m) gerado por Gomes (2006) 50
Figura 15 - Coleta do material das bacias dos rios Quitite e Papagaio 51
Figura 16 - Coleta do material do interior da Reserva Biológica do Tinguá 53
Figura 17 - Coleta do material do Campus Avançado da PUC em Tinguá 53
Figura 18 - Mapa geológico de Tinguá (Adaptado de De Campos, 2012) 55
Figura 19 - Curvas granulométricas dos ensaios realizados com
hexametafosfato de sódio como defloculante 58
Figura 20 - Curvas granulométricas dos ensaios realizados com água como
defloculante 58
Figura 21 - Ensaio de sedimentação feito com hexametafosfato
(provetas da esquerda) e água (provetas da direita), após 21h, ressaltando a
aglomeração em forma de flocos do solo em seu estado natural 59
Figura 22 - Análise térmica diferencial para CEII 63
Figura 23 - Análise térmica diferencial para BQP 63
Figura 24 - Análise térmica diferencial para CAT 63
Figura 25 - Análise térmica diferencial para RBT 64
Figura 26 - Viscosímetro Brookfield modelo DV I Primer 66
Figura 27 - a) Recipiente utilizado para colocar o material a ser ensaiado;
b) Haste utilizada nos ensaios (splinder 31) 66
Figura 28 - Reômetro Haake Mars utilizado neste trabalho 67
Figura 29 - Tipos de geometrias disponíveis: a) couette; b) cone-placa;
c) placa-placa do tipo cross hatch; d) placa-placa do tipo lisa 68
Figura 30- Extravasamento de material no ensaio utilizando uma folga
de 4,0mm 69
Figura 31 - Grande dispersão encontrada a partir de 200s no ensaio
realizado para o ponto mais seco da BQP (w= 81,50%) 69
Figura 32 - Indicativo do ressecamento do material durante o ensaio:
espaço vazio entre as placas 70
Figura 33 - Diminuição da viscosidade do material a partir de 200s no ensaio
realizado para um dos pontos mais úmidos do CAT (w= 103,46%) 70
Figura 34 - Lâminas de água formadas pela sedimentação do material 70
Figura 35 - Capa protetora de acrílico utilizada para minimizar a exposição da
amostra ao ar condicionado 71
Figura 36 - Etapas do procedimento experimental estabelecido para os
ensaios no reômetro: a) regularização da temperatura; b) homogeneização
do material; c) colocação da amostra na placa inferior; d) espalhamento do
material; e) limpeza da lateral da geometria; f) colocação da capa protetora e
início do ensaio 72
Figura 37 - Ensaio de abatimento do tronco de cone (Reis, 2008) 74
Figura 38 - Ensaio de abatimento de tronco de cone modificado proposto por
Tanigawa et al. (1991) 75
Figura 39 - Aparelho do abatimento do tronco de cone modificado (Reis, 2008) 76
Figura 40 - Procedimento experimental do ensaio de abatimento do
tronco de cone modificado (Ferraris & De Larrard, 1998) 77
Figura 41 - Estrutura de sustentação projetada: a) vista frontal; b) vista lateral;
c) vista superior (dimensões em cm) 80
Figura 42 - Configurações do tronco de cone desenvolvidas para o ensaio
modificado: a) apenas dois tarugos; b) tarugos mais anilhas de 0,5kg 81
Figura 43 - Transdutor linear e disco de latão utilizados nesta configuração 82
Figura 44 - Transdutor para potenciômetro, a esquerda, e sistema de aquisição
de dados a direita 83
Figura 45- Dificuldade do transdutor para acompanhar o deslocamento do
solo: a) a massa já teve seu movimento encerrado, mas o transdutor ainda
continua a descer; b) apenas após alguns segundos o transdutor atinge a
posição final da massa de solo 83
Figura 46 - Ensaio realizado com a colocação de um peso adicional no disco
que faz contato solo/transdutor com a finalidade de aumentar a velocidade de
deslocamento da haste 84
Figura 47 - Acelerômetro utilizado na segunda configuração 84
Figura 48 - Detalhamento do disco de acrílico utilizado (dimensões em cm) 85
Figura 49 - Detalhe do equipamento desenvolvido antes da realização do
ensaio: a) dimensões de projeto (unidades em cm); b) configuração real 86
Figura 50 - Detalhe do equipamento desenvolvido após a realização do ensaio:
a) dimensões de projeto (unidades em cm); b) configuração real 87
Figura 51 - Preparação da amostra: mistura água e solo 88
Figura 52 - Glicerina a ser utilizada nas paredes internas do tronco de cone 88
Figura 53 - Preenchimento do tronco de cone 89
Figura 54 - Acabamento da superfície superior do tronco de cone 89
Figura 55 - Colocação do peso para ascensão do cone 90
Figura 56 - Coleta de material para determinação da umidade 90
Figura 57 - Espaço existente entre o transdutor e o tronco de cone 91
Figura 58 - Diferenças no preenchimento do tronco de cone: a) solo com
umidade igual a 1,1 vezes o limite de liquidez; b) solo com umidade igual a
1,3 vezes o limite de liquidez 92
Figura 59 - Limitação associada ao espaço existente entre o transdutor e o
tronco de cone: a) abatimento inferior a 24cm; b) abatimento superior a 24cm 92
Figura 60 - Ensaios realizados com umidades superiores a duas vezes o limite
de liquidez do material: velocidade máxima do transdutor utilizado 93
Figura 61 - Material da RBT após o ensaio do abatimento de tronco de cone
modificado para diferentes umidades: a) 68,37%; b) 77,86%; c) 88,61%;
d) 97,34% 95
Figura 62 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo CEII 97
Figura 63 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo BQP 97
Figura 64 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo CAT 97
Figura 65 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo RBT 98
Figura 66 - Relação entre a umidade do ensaio de abatimento de tronco de cone
e a taxa de cisalhamento 99
Figura 67 - Relação entre a concentração de sedimentos e a taxa de
cisalhamento 99
Figura 68 - Grande dispersão para dados coletados no viscosímetro de
Brookfield para taxas de cisalhamento abaixo de 10 s-1 (Kiryu, 2006) 100
Figura 69 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo CEII 102
Figura 70 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo BQP 102
Figura 71 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo CAT 102
Figura 72 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo RBT 103
Figura 73 - Ajuste dos resultados experimentais para CEII 105
Figura 74 - Ajuste dos resultados experimentais para BQP 105
Figura 75 - Ajuste dos resultados experimentais para CAT 105
Figura 76 - Ajuste dos resultados experimentais para RBT 106
Figura 77 - Ajuste dos resultados experimentais para todos os solos
estudados 107
Figura 78 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para
CEII 107
Figura 79 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para
BQP 108
Figura 80 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para
CAT 108
Figura 81 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para
RBT 108
Figura 82 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para
todos os solos ensaiados, com destaque para as faixas de valores obtidas por
Galindo (2013) e O’Brien & Julien (1988) 109
Lista de tabelas
Tabela 1 - Equações, modelos e parâmetros reológicos para fluidos não-
newtonianos independentes do tempo (Adaptado de Machado, 2002) 33
Tabela 2 - Resumo dos ensaios e equipamentos existentes para medir os
parâmetros reológicos do concreto no estado fresco (Adaptado de Reis, 2008) 40
Tabela 3 - Viscosidade e tensão de escoamento como função da concentração
de sedimentos (Adaptado de O’Brien & Julien, 1988) 44
Tabela 4 - Valores de Gs obtidos para os solos em estudo 57
Tabela 5 - Resumo da granulometria dos solos estudados com os dois
defloculantes utilizados 59
Tabela 6 - Resultados dos ensaios dos limites de consistência e atividade das
argilas 60
Tabela 7 - Composição química dos solos estudados 61
Tabela 8 - Umidade do ensaio, limite de liquidez e razão entre ambos 94
Tabela 9 - Concentração de sedimentos e umidade dos ensaios realizados 96
Tabela 10 - Correspondência entre a umidade do ensaio de abatimento de
tronco de cone e a taxa de cisalhamento 98
Tabela 11 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir
da relação entre a umidade e a taxa de cisalhamento 99
Tabela 12 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir
da relação entre a umidade e a taxa de cisalhamento 100
Tabela 13 - Umidades dos ensaios no abatimento de tronco de cone, no
reômetro e diferença entre ambas 101
Tabela 14 - Correspondência entre a viscosidade definida no reômetro (η) e a
taxa de cisalhamento (�) obtida no ensaio de abatimento de tronco de cone 103
Tabela 15 - Viscosidade dos materiais envolvidos nas corridas de massa
ocorridas no Rio de Janeiro em 1996 (Adaptado de Macias et al, 1997) 104
Tabela 16 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir
da relação entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento 106
Tabela 17 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir
da relação entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento 109
Lista de símbolos e abreviações
# - diâmetro de abertura da malha da peneira
% - porcentagem
A - água
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
ATD - Análise Térmica Diferencial
BQP - Bacia dos rios Quitite e Papagaio
C - Celsius
CAT - Campus Avançado da PUC em Tinguá
CEII - Campo Experimental II PUC-Rio
Cv - concentração de sedimentos
dv - diferença de velocidade entre duas partículas vizinhas
dy - distância entre duas partículas vizinhas
�� - vetor força
Gs - peso específico dos grãos
H - hexametafosfato de sódio
Ia - índice de atividade das argilas
IP - índice de plasticidade
K - índice de consistência
LL -limite de liquidez
n - índice de comportamento
�� - direção do vetor
NM - Norma Mercosul
ONU – Organização das Nações Unidas
RBT- Reserva Biológica do Tinguá
s - abatimento
SUCS - Sistema Unificado de Classificação de Solos
T - tempo de abatimento
�- tensor tensão
Vs - volume de sedimentos
Vt - volume de água mais sedimentos
w - umidade do ensaio
wa - umidade do ensaio de abatimento de tronco de cone
wr - umidade do ensaio no reômetro
�� - taxa de cisalhamento
η - viscosidade aparente
µ - viscosidade absoluta
ρ - densidade do concreto
σii - tensão normal atuante no plano perpendicular à direção
τ - tensão
τij - tensão cisalhante atuante no plano perpendicular à �na direção �
τo - tensão de escoamento
“A tarefa não é tanto ver aquilo que ninguém viu, mas pensar o que ninguém ainda pensou sobre aquilo que todo mundo vê”.
Arthur Schopenhauer
1
Introdução
Os desastres naturais constituem hoje uns dos grandes problemas
socioeconômicos mundiais por provocarem extensos danos materiais e
frequentemente estarem associados a perdas de vidas. Dentre os fenômenos que
mais se destacam, podem-se citar os terremotos, inundações e movimentos de
massa (Gomes, 2006).
Intensamente estudados por diversos pesquisadores, embora sejam
considerados importantes nos processos de modelagem do relevo, os movimentos
de massa são, de acordo com a ONU (1993), os fenômenos naturais que mais
causam prejuízos financeiros e mortes no mundo.
Segundo Augusto Filho & Virgili (1998), os primeiros estudos sobre
escorregamentos remontam a mais de 2000 anos, em países como a China e o
Japão. Especialmente no Brasil, o início destes estudos deve-se aos
escorregamentos ocorridos nos Morros de Santos, São Paulo, em 1928 e 1956, e
na cidade do Rio de Janeiro e regiões circunvizinhas, em 1966 e 1967 (De
Campos, 1984).
Posicionada entre o mar e a montanha, a cidade do Rio de Janeiro tem
sofrido inúmeras tragédias em períodos mais intensos de chuvas, em particular no
verão (Soares, 1999). Estima-se que a última grande tragédia ocorrida em janeiro
de 2011, na região serrana, teve mais de 3000 deslizamentos, envolvendo a morte
de aproximadamente mil pessoas.
Segundo Hassiotis et al (1997), assegurar a estabilidade de taludes naturais
ou artificiais continua sendo um problema fundamental para a engenharia
geotécnica, e para resolvê-lo, faz-se necessário entender os mecanismos de
ruptura bem como os fatores associados à instabilidade.
No caso das corridas de massa, Macias et al (1997) destacam a existência de
dois procedimentos para entender o seu comportamento mecânico:
- relações empíricas: baseadas em dados de observações e medições de
campo em vários eventos;
22
- relações analíticas por retroanálise: baseadas nas características
geométricas e de comportamento reológico, estas últimas representadas pelos
parâmetros de tensão de escoamento e viscosidade.
Em termos da facilidade de obtenção dos parâmetros fundamentais, as
relações analíticas levam grande vantagem sobre a abordagem baseada em
relações empíricas (Hungr et al, 1984). No entanto, no caso dos solos, destaca-se a
inexistência de um ensaio de laboratório, padronizado pela Associação Brasileira
de Normas Técnicas, para determinar diretamente tais parâmetros reológicos.
Macias et al (1997) ressaltam ainda que o comportamento mecânico das
corridas é de macroviscoso (ocorrido quando a resistência da dispersão é
controlada pela viscosidade do fluido) a transição (neste caso, a resistência é
proporcionada tanto pela pressão dispersiva, que é produto da colisão entre as
partículas da mistura de detritos, quanto pela viscosidade do fluido).
Tal fato ratifica a acentuada influência da viscosidade na resistência destes
materiais ao fluxo, e sua extrema importância para a determinação dos valores de
velocidade das corridas de massa a serem adotados nos projetos de contenção ou
correção de áreas afetadas.
Dentro deste contexto, o presente trabalho propõe o desenvolvimento de
uma metodologia para a determinação experimental da viscosidade de solos,
visando subsidiar estudos associados ao desenvolvimento de corridas de massa.
Dentre os objetivos específicos pretende-se:
- desenvolver um equipamento a partir de adaptações no conjunto de
abatimento de tronco de cone que é utilizado para a realização de ensaios em
concreto;
- estabelecer uma metodologia padrão a ser utilizada nos ensaios voltados
para a determinação da viscosidade de solos;
- obter a viscosidade do solo a partir de outros ensaios, adaptando
equipamentos utilizados para fluidos, como o reômetro placa-placa e o
viscosímetro de Brookfield;
- analisar a existência de uma correlação entre a viscosidade e a taxa de
cisalhamento, sendo esta última obtida a partir do equipamento desenvolvido.
A apresentação dos resultados deste trabalho foi dividida em 9 capítulos,
sendo descrito a seguir, resumidamente, o conteúdo de cada um deles.
23
O capítulo 2 tem por objetivo fazer uma revisão dos aspetos conceituais
relacionados à reologia de um modo geral, envolvendo tanto a classificação dos
modelos reológicos quanto os instrumentos de medidas disponíveis atualmente.
Neste item também são abordados aspectos específicos, relacionados à reologia do
concreto fresco e dos solos.
No capítulo 3 é feita a caracterização de cada local estudado, obtida através
de uma descrição sobre os aspectos geológicos e geotécnicos das áreas escolhidas.
Características relacionadas à localização, clima e geomorfologia também são
abordadas.
No capitulo 4 são apresentadas as características físicas, químicas e
mineralógicas dos solos estudados.
O capítulo 5 fornece maiores detalhes acerca de algumas técnicas
experimentais empregadas para a determinação direta ou indireta da viscosidade,
apresentando não somente seus procedimentos, como também as limitações dos
equipamentos utilizados.
O capítulo 6 faz uma descrição completa do equipamento desenvolvido
neste trabalho, apresentando em detalhes todos os aspectos relevantes, as
adaptações feitas no equipamento de abatimento de tronco de cone, bem como
suas limitações e dificuldades experimentais.
Já no capítulo 7 são apresentados e analisados os resultados referentes aos
ensaios realizados. O capítulo 8 é formado pelas conclusões obtidas e sugestões
para trabalhos futuros. E por fim, no capítulo 9 são apresentadas as referências
utilizadas.
2 Revisão bibliográfica
2.1. Aspectos conceituais relacionados à reologia
Embora o conhecimento da reologia por Newton e Hooke date do século
XVII, foi somente em 1929, quando a Sociedade de Reologia foi fundada e o
comportamento mecânico de materiais industriais como a borracha, o plástico,
cerâmicas e tintas passou a ser do interesse da física, mecânica e da matemática,
que surgiu a necessidade do estudo da reologia (Tanner, 1988).
A etimologia da palavra reologia, inicialmente definida por E. C. Bingham
em 1929 como estudo da deformação e fluxo da matéria [Blair (1969); Barnes et
al (1989)], é derivada dos vocabulários gregos rheo = deformação e logia =
ciência ou estudo. Portanto, reologia é a ciência que estuda como a matéria se
deforma ou escoa quando está submetida a esforços originados por forças externas
(Vliet & Lyklema, 2005).
Segundo Blair (1969), a deformação de um corpo pode ser dividida em dois
tipos: deformação espontânea e reversível, conhecida como elasticidade; e
deformação irreversível, conhecida como fluxo ou escoamento.
Apesar da maioria das teorias de reologia, quantitativas ou qualitativas,
tratar o fenômeno da deformação como reversível, a irreversibilidade é geralmente
encontrada. Às vezes, as propriedades reológicas de uma substância sofrem
mudanças consideráveis com o tempo ou com uma deformação prolongada, seja o
fenômeno reversível ou irreversível [Machado (2002); Castro (2007)].
Segundo Bird et al (1977), a reologia clássica considera dois materiais
como ideais: o sólido elástico e o líquido ou fluido viscoso. Os sólidos ideais são
materiais com forma definida que, quando deformados por uma força externa
dentro de certos limites, retornam a sua forma e dimensões originais, após a
remoção dessa força. Os fluidos ideais, tais como líquidos e gases, tendem a
escoar de forma irreversível, uma vez que a energia requerida para a deformação é
25
dissipada sob forma de calor e não é mais recuperada pela remoção da força
exercida.
Na reologia dos sólidos, a deformação elástica é o parâmetro mais
importante ao passo que na reologia dos fluidos o parâmetro de maior interesse
deve ser a viscosidade (Diaz et al, 2004). No entanto, certos materiais não podem
ser diferenciados em sólidos ou fluidos com clareza, de modo que a propriedade
reológica de interesse nestes casos é a viscoelasticidade.
A referida dificuldade de classificação de alguns materiais como sólidos ou
fluidos também é retratada por Barnes et al (1989). Segundo tais autores, se um
amplo intervalo de tensões e tempo for aplicado durante um ensaio para a
determinação das propriedades reológicas de diferentes materiais, poderão ser
observados sólidos comportando-se como líquidos e líquidos comportando-se
como sólidos. Tal fato possibilita a inclusão de um mesmo material em mais de
uma categoria, dependendo das condições experimentais.
Segundo Mothé (2009), na prática, a reologia está preocupada com materiais
cujas propriedades do escoamento são mais complicadas do que as de um fluido
simples ou um sólido elástico ideal, embora possa ser observado que um material
com um comportamento simples, sob uma restrita variação da condição de ensaio,
pode exibir um comportamento muito mais complexo sob outras condições.
Um fenômeno importante ligado ao escoamento é a existência de um limite
de escoamento. Alguns materiais que escoam rapidamente sob uma determinada
tensão de cisalhamento não escoarão totalmente se essa tensão for reduzida a um
valor abaixo do limite de escoamento.
A existência desse valor residual para a tensão de cisalhamento, o qual deve
ser excedido para que o material apresente um comportamento viscoso, foi
idealizado por Bingham (1922), sendo conhecido por viscoplasticidade.
Após análises experimentais das relações entre tensão e deformação de
diversos solos, Vyalov (1986) concluiu que o modelo reológico viscoplástico
descrevia adequadamente o comportamento dos solos sobre um estado
permanente de tensão.
Como as corridas de massa são caracterizadas por movimentos rápidos nos
quais os materiais comportam-se como fluidos altamente viscosos (e.g. Guidicini
& Nieble, 1984), os solos, durante este tipo de movimento, seriam classificados
26
como fluidos viscoplásticos, justificando assim o seu estudo por meio de um
embasamento reológico.
2.1.1. Tensão, deformação e viscosidade
Conforme ressaltado anteriormente, a reologia dos fluidos está relacionada a
um sistema de forças que faz com os mesmos escoem. Portanto, para a
compreensão deste fenômeno, há a necessidade de se estudar o conceito de tensão,
deformação e, por fim, de viscosidade (Castro, 2007).
2.1.1.1. Tensão
Segundo Bretas & D’Ávila (2000), quando um fluido está em movimento,
vários tipos de forças atuam sobre ele. Essas forças surgem devido ao seu
movimento, à ação da gravidade, aos gradientes de pressão e às interações entre as
moléculas do fluido.
Quando esta força é considerada atuando em uma determinada área, tem-se
definido o conceito de tensão, cuja formulação matemática é expressa pela
Equação 1.
� � lim∆�→�
∆�
∆
(1)
Uma definição mais rigorosa de tensão envolve a notação vetorial, obtida
através da associação da força a uma direção. Segundo Rocha (2002), associando-
se um escalar a uma direção (�) obtém-se um vetor (��), e associando-se um vetor
a uma direção obtém um tensor ( �.
Fox & McDonald (1998) enunciam que a descrição completa do estado de
tensões em um ponto só pode ser obtida através da especificação das tensões que
atuam em três planos que são perpendiculares entre si e contém o referido ponto.
Assim, em coordenadas cartesianas, o tensor tensão tem nove componentes,
usualmente escritas na forma matricial.
Conforme ilustra a Figura 1, σii representa uma tensão normal atuante no
plano perpendicular à direção �, ao passo que τij representa a tensão cisalhante
27
atuante no plano perpendicular à ��na direção �. Embora o tensor apresente nove
componentes, devido a propriedades de simetria (τij=τji), o estado de tensões em
um corpo estará determinado conhecendo-se apenas seis de seus componentes:
três tensões normais e três tensões cisalhantes.
= ��= �������������������
����������
Figura 1 - Notação matricial e representação gráfica do tensor tensão
2.1.1.2. Deformação
Um corpo é dito tensionado ou deformado quando a posição relativa dos
pontos em seu interior é modificada. O deslocamento de cada ponto, por sua vez,
é definido através de um vetor que reflete a distância entre a sua localização
inicial e final (Chou & Pagano, 1967).
Segundo Hibler (2010), o estado de deformações de um corpo exige a
especificação de deformações normais, que causam uma mudança no volume do
elemento, e deformações por cisalhamento, que provocam uma mudança em sua
forma, conforme ilustra a Figura 2.
Figura 2 - Conceito de deformação: (A) rotação sem deformação; (B) deformação por cisalhamento; (C) deformação normal (Bretas & D’Ávila, 2000)
28
Do ponto de vista da reologia, as propriedades mecânicas de todos os
materiais são descritas em termos de contribuições elásticas, viscosas e inerciais
(Van Wazer et al, 1966).
De acordo com Machado (2002), a deformação elástica é usualmente
expressa em função da força ou tensão de deformação aplicada, a qual pode ser
definida de um modo elementar como deformação relativa. A deformação viscosa
é expressa em função da taxa de cisalhamento, definida através da relação entre a
variação da velocidade de escoamento e a distância entre camadas ou partículas
discretas do fluido. A deformação inercial, por sua vez, envolve a aceleração.
No caso dos fluidos, classificados de acordo com a relação entre a tensão de
cisalhamento e a taxa de cisalhamento aplicada, a contribuição da deformação
viscosa é de fundamental importância (Fox & McDonald, 1998). Assim, conforme
ressaltado por Castro (2007), a caracterização reológica destes materiais envolve a
determinação da taxa de cisalhamento com o tempo ao invés da deformação
absoluta do mesmo.
2.1.1.3. Viscosidade
O conceito de viscosidade, definida como a resistência ao deslizamento das
moléculas do fluido devido à fricção interna, foi introduzido por Isaac Newton,
em 1687, através do escoamento de fluidos colocados entre duas placas paralelas
de área A, separadas por uma distância h, movimentadas por uma força F,
conforme ilustra a Figura 3.
Figura 3 - Modelo de placas paralelas proposto por Newton para explicar o conceito de viscosidade (Barnes et al, 1969)
De acordo com o modelo proposto por Newton, a força (F) requerida por
unidade de área (A) para manter uma diferença de velocidade entre as placas é
29
conhecida como tensão de cisalhamento, matematicamente expressa pela Equação
2.
� ��
(2)
A taxa de cisalhamento (��), por sua vez, é determinada através de uma
expressão matemática, Equação 3, que relaciona a diferença das velocidades entre
duas partículas vizinhas ou planos vizinhos com a distância entre eles.
�� ���
��
(3)
Para fluidos viscosos ideais, a tensão de cisalhamento é diretamente
proporcional à taxa de cisalhamento, onde a constante de proporcionalidade é, por
definição, a viscosidade do fluido (µ), conforme explicita a Equação 4, também
conhecida como Lei de Newton para viscosidade.
� � ���
��� ���
(4)
Para Barnes et al (1969), a viscosidade pode ser considerada a principal
propriedade reológica de um fluido, pois indica sua facilidade de escoar
continuamente sob a ação de uma tensão de cisalhamento externa. Quanto menor
a viscosidade de um fluido, menor é a tensão necessária para submetê-lo a uma
determinada taxa de cisalhamento constante.
Van Wazer et al (1966) dividem a viscosidade em diferencial e aparente.
Ambos os termos são aplicados às curvas “tensão de cisalhamento versus taxa de
cisalhamento” não-lineares. Enquanto que a viscosidade diferencial é determinada
através da inclinação de um dado ponto da curva, a viscosidade aparente é obtida
a partir da inclinação de uma reta ligando um ponto particular da curva com a
origem.
A viscosidade pode depender de seis parâmetros independentes. São eles:
temperatura, pressão, taxa de cisalhamento, natureza físico-química da substância,
30
campo elétrico e o tempo de cisalhamento. Ao se definir a viscosidade em função
de um desses parâmetros, os outros cinco devem ser mantidos constantes e bem
definidos (Schramm, 1998).
2.2. Classificação dos modelos reológicos
Os fluidos dividem-se em ideais e reais. Os ideais são os que possuem
viscosidade igual a zero e são hipotéticos. Num escoamento ideal não existem
tensões cisalhantes [Correia (2006); Mothé (2007)]. Os fluidos reais são divididos
em newtonianos e não-newtonianos, sendo estes últimos divididos em três classes:
os independentes do tempo, os dependentes do tempo, e os viscoelásticos,
conforme sintetizado na Figura 4.
Figura 4 - Esquema da classificação dos fluidos reais (Adaptado de Mothé, 2007)
Fluidos reais
NewtonianosNão-
newtonianos
Independentes
do tempo
Pseudoplástico
Dilatante
Viscoplástico
Dependentes do
tempo
Tixotrópico
Reopético
Viscoelásticos
31
2.2.1. Fluidos Newtonianos
De acordo com Tanner (1988), os fluidos newtonianos são aqueles cuja
viscosidade, denominada viscosidade absoluta, é afetada apenas pela temperatura
e pressão, não apresentando variações com aumento da taxa ou tensão cisalhante.
A curva de escoamento de um fluido newtoniano é uma linha reta que passa
através da origem e tem uma inclinação cujo inverso é igual ao coeficiente de
viscosidade. Dessa maneira, para um fluido Newtoniano, uma determinação
experimental simples, isto é, um ensaio que mede apenas um dos parâmetros
reológicos é suficiente para a caracterização do seu comportamento reológico
(Vliet & Lyklema, 2005).
2.2.2. Fluidos não-Newtonianos
A Lei de Newton para viscosidade, expressa pela (4, se restringe para um
determinado número de fluidos, pois existem materiais que, sob escoamento
dirigido por cisalhamento, apresentam comportamento distinto do previsto por
Newton.
Segundo Vliet & Lyklema (2005), um fluido é dito não-newtoniano quando
a relação entre a tensão e a taxa de cisalhamento não é linear. Neste caso, uma
viscosidade, denominada viscosidade aparente, é obtida para cada taxa de
cisalhamento considerada.
Estes fluidos, em geral, encontram-se divididos em três grupos,
classificados de acordo com o seu comportamento:
• fluidos independentes do tempo - são aqueles cuja viscosidade depende
somente da taxa de cisalhamento;
• fluidos dependentes do tempo - a viscosidade depende não só da taxa, mas
também do tempo de cisalhamento;
• fluidos viscoelásticos - apresentam características tanto de sólidos
(elasticidade) quanto de líquidos (viscosidade) e exibem uma recuperação
elástica parcial após a deformação.
Os fluidos independentes do tempo são subdivididos em: pseudoplásticos,
dilatantes e binghamianos [Van Wazer et al (1966); Tanner (1988); Fox &
32
McDonald (1998); Machado (2002); Vliet & Lyklema (2005)], conforme
apresentado na Figura 5.
• Fluidos pseudoplásticos - caracterizam-se pela diminuição da viscosidade
aparente com o aumento da taxa de deformação. Geralmente, começam a
escoar sob a ação de tensões de cisalhamento infinitesimais, não havendo a
presença de uma tensão residual. No entanto, alguns fluidos podem
apresentar uma tensão inicial, a partir da qual o comportamento reológico
passa a ser semelhante ao dos pseudoplásticos (Toneli et al, 2005). De
acordo com Vidal-Bezerra (2000), esse comportamento pode ser explicado
pela modificação da estrutura de cadeias longas de moléculas. Com o
aumento do gradiente de velocidade, essas cadeias tendem a se alinhar
paralelamente às linhas de corrente, diminuindo a resistência ao
escoamento.
• Fluidos dilatantes - apresentam um comportamento contrário aos fluidos
pseudoplásticos. Neste caso, a viscosidade aparente cresce com o aumento
da taxa de deformação. Conforme descrito por Machado (2002), a
dilatância nos líquidos é muito rara, no entanto, este tipo de
comportamento pode ser evidenciado em suspensões altamente
concentradas, cujas partículas constituintes são irregulares e não se
orientam facilmente.
• Fluidos viscoplásticos ou binghamianos - fluidos que se comportam como
sólido até que uma tensão mínima, chamada de tensão de escoamento, seja
excedida; em seguida, a relação entre a tensão e a taxa de cisalhamento
torna-se linear. Na maioria das vezes esses fluidos são dispersões que
podem formar uma rede interpartículas mantida por forças ligantes em
repouso. Essas forças restringem mudanças de posição dos elementos,
resultando em um material de caráter sólido com alta viscosidade. As
forças externas, se menores do que aquelas que formam a rede, deformam
elasticamente o material sólido. Somente quando as forças externas são
grandes o suficiente para superar as forças de ligação entre as partículas é
que a estrutura entra em colapso. Quando isso acontece, os elementos
podem mudar de posição irreversivelmente, isto é, o sólido se transforma
em um líquido (Bird et al, 1983).
33
Figura 5 - Comportamento reológico dos fluidos independentes do tempo (Adaptado de Fox & McDonald, 1998)
Diversas relações empíricas têm sido desenvolvidas para estabelecer um
modelo matemático que melhor represente as relações observadas entre a tensão e
a taxa de cisalhamento para fluidos independentes do tempo. Algumas destas
equações estão apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1 - Equações, modelos e parâmetros reológicos para fluidos não-newtonianos independentes do tempo (Adaptado de Machado, 2002)
Modelo Equação Parâmetros
Newton � � ��� �-viscosidade absoluta �� -taxa de cisalhamento
Bingham � � ��� � �� �-viscosidade aparente ��-tensão de escoamento �� -taxa de cisalhamento
Ostwald � � ��� � �-índice de consistência -índice de comportamento �� -taxa de cisalhamento
Herschell-Buckley � � ��� � ���
�-índice de consistência -índice de comportamento �� -taxa de cisalhamento ��-tensão de escoamento
Os fluidos dependentes do tempo são subdivididos em: reopéticos e
tixotrópicos [Van Wazer et al (1966); Tanner (1988); Fox & McDonald (1998);
Machado (2002); Vliet & Lyklema (2005)].
• Fluidos tixotrópicos - a tensão de cisalhamento, ou viscosidade diminui
com o tempo de aplicação de uma taxa de cisalhamento devido à
ocorrência de mudanças reversíveis na microestrutura do fluido.
34
Geralmente, na ausência do cisalhamento, a estrutura é reconstruída e o
sistema volta a adquirir sua viscosidade inicial (Cussot et al, 2002a).
Segundo Correia (2006), a curva de tixotropia é similar à da
pseudoplasticidade uma vez que a viscosidade aparente diminui à medida
que a taxa de deformação aumenta. Difere dela, porém, quando a
viscosidade aparente não depende só da taxa de cisalhamento, mas
também do tempo.
• Fluidos reopéticos - são semelhantes a fluidos dilatantes, sendo
caracterizados por um aumento na viscosidade relacionado com o tempo
de duração do cisalhamento. Quando deixados em repouso atingem baixos
níveis de viscosidade. Segundo Mothé (2009), a reopexia é um
espessamento dependente do tempo.
De acordo com Van Wazer et al (1966) o escoamento pseudoplástico (sem
limite de escoamento) resulta de um comportamento tixotrópico imediatamente
concluído (exibindo um intervalo de tempo infinitamente curto para ir do valor de
viscosidade inicial para um valor de viscosidade limite final), enquanto que o
escoamento dilatante resulta do comportamento reopético também imediatamente
concluído.
Em uma análise inicial, os fluidos viscoplásticos poderiam ser considerados
com um comportamento tixotrópico, uma vez que apresentam uma “viscosidade
infinita” até que seja superada a tensão de escoamento, quando essa viscosidade
diminui e o material começa a fluir (Cussot et al, 2002b).
No entanto, Tanner (1988) distingue bem os dois comportamentos através
da introdução do termo “corpo falso”. Segundo este autor, o verdadeiro material
tixotrópico se rompe completamente sob a influência de altas tensões de
cisalhamento e se comporta como um líquido, mesmo após a retirada da tensão
aplicada, até que se atinja o tempo necessário para a reestruturação do material.
Por outro lado, os materiais de “corpo falso” não perdem suas propriedades
sólidas por completo e ainda podem exibir uma tensão de escoamento, embora ela
possa ser reduzida.
35
2.3. Medição das propriedades reológicas
Para fluidos newtonianos a viscosidade é obtida através de uma única
medida de tensão de cisalhamento e a correspondente taxa de deformação. Porém
uma única medida não é suficiente para identificar um fluido como newtoniano.
São necessários vários dados de tensão de cisalhamento e as correspondentes
taxas de deformação, para então avaliar o comportamento de um fluido e adotar
um modelo reológico (Vidal-Bezzera, 2000).
Os equipamentos utilizados para medir as grandezas que definem o
comportamento reológico de um material são chamados de viscosímetros ou
reômetros. Segundo Van Wazer et al (1966), os reômetros são instrumentos
projetados para medir propriedades viscoelásticas de sólidos, semi-sólidos, e
fluidos, ao passo que os viscosímetros são instrumentos de aplicação mais
limitada, uma vez que medem apenas os parâmetros viscosos do fluido sob
cisalhamento contínuo.
2.3.1. Viscosimetria
A viscosimetria é um segmento da mecânica dos fluidos que consiste na
prática experimental de medir a resposta reológica dos fluidos, considerados
puramente viscosos, onde a componente elástica pode ser desprezada. Ela consiste
na medida de grandezas físicas, tais como velocidade angular, torque, ângulo de
deflexão, tempo, etc., que possam ser transformadas em unidades de tensão e de
taxa de cisalhamento, conseqüentemente, de viscosidade, através de equações
deduzidas a partir dos princípios e leis da mecânica clássica (Machado, 2002).
Existem quatro tipos básicos de viscosímetros:
• Viscosímetro capilar - a viscosidade é medida pela velocidade de
escoamento do líquido através de um capilar de vidro, sendo esta última
calculada a partir do tempo de escoamento do líquido entre duas marcas
feitas no viscosímetro.
• Viscosímetro de orifício - a viscosidade é medida pelo tempo que um
volume fixo de líquido gasta para escoar através de um orifício existente
no fundo de um recipiente.
36
• Viscosímetro rotacional - a viscosidade é medida pela velocidade angular
de uma parte móvel separada de uma parte fixa pelo líquido. Nos
viscosímetros de cilindros concêntricos, a parte fixa é, em geral, a parede
do próprio recipiente cilíndrico onde está o líquido. A parte móvel pode
ser no formato de palhetas ou um cilindro. Nos viscosímetros de cone-
placa, um cone é girado sobre o líquido colocado entre o cone e uma placa
fixa.
• Viscosímetro de esfera - a viscosidade é medida pela velocidade de queda
de uma esfera dentro de um líquido colocado em um tubo vertical de
vidro.
A escolha do tipo de viscosímetro a ser utilizado depende do propósito da
medida e do tipo de líquido a ser investigado. O viscosímetro capilar não é
adequado para líquidos não newtonianos, pois não permite variar a tensão de
cisalhamento, mas é bom para líquidos newtonianos de baixa viscosidade. O
viscosímetro rotacional é o mais indicado para estudar líquidos não-newtonianos.
O viscosímetro de orifício é indicado nas situações onde a robustez do
instrumento e a facilidade de operação são mais importantes que a precisão e a
exatidão na medida, por exemplo, nas fábricas de tinta, adesivos e óleos
lubrificantes.
2.3.2. Reometria
Os reômetros são os instrumentos mais amplamente utilizados para medir as
propriedades reológicas dos fluidos. Tais equipamentos podem apresentar
diferentes configurações, nas quais as mais comuns são: sistemas capilares e
sistemas rotacionais (Klein, 1992).
Nos sistemas capilares, o fluido escoa no interior de um tubo de seção
circular, devido à diferença entre as pressões de entrada e saída do mesmo, que
podem ser geradas pela gravidade ou por outros meios mecânicos (Vliet &
Lyklema, 2005).
Os sistemas rotacionais, por sua vez, baseiam-se na rotação de um corpo
cilíndrico, cônico ou circular, imerso em um líquido, o qual experimenta uma
37
força de resistência viscosa quando se impõe uma velocidade rotacional ao
sistema (Schramm, 1998).
De acordo com Vidal-Bezzera (2000), as principais vantagens na utilização
dos reômetros rotacionais quando comparados aos capilares é que esses
equipamentos permitem o uso de pequenas amostras de produtos e podem
fornecer uma medida contínua da relação taxa de deformação e tensão de
cisalhamento, e uma faixa mais ampla da taxa de deformação, permitindo também
uma análise mais adequada de comportamentos dependentes do tempo.
De um modo geral, os equipamentos rotacionais podem ser classificados em
relação à variável controlada (tensão ou deformação controlada) e em relação à
geometria do sensor (cilindros coaxiais, cone-placa e placa-placa, ilustrados na
Figura 6). Quando os sensores são cilíndricos e concêntricos existem ainda dois
tipos de sistemas: Searle e Couette.
Figura 6 - Diferentes geometrias apresentadas pelos reômetros rotacionais: a) cilindros coaxiais; b) cone-placa; c) placa-placa (Vliet & Lyklema, 2005)
Nos reômetros de tensão controlada impõe-se uma tensão pré-definida e
determina-se a taxa de cisalhamento resultante, já no caso dos reômetros de
deformação controlada, ocorre exatamente o contrário, ou seja, uma taxa de
cisalhamento é imposta e a tensão resultante é determinada.
No sistema Searle o cilindro interno gira a uma velocidade definida,
forçando o líquido presente no espaço entre os dois cilindros a escoar. A
resistência natural do líquido resulta em um torque atuando no cilindro interno
que se contrapõe ao torque motor do equipamento. Um elemento sensível ao
38
torque, normalmente uma mola de torção, é posicionada entre o motor e o corpo
interno, e a sua deformação resulta na medida direta do torque ou da tensão
cisalhante.
No sistema Couette, o cilindro externo é quem gira a uma velocidade
definida, provocando um fluxo na amostra do líquido entre os dois cilindros. A
resistência do líquido cisalhado transmite um torque ao cilindro interno, que é
induzido a girar. Como o cilindro interno está fixo a uma mola de torção, então
esta se deforma até o estado de equilíbrio. Portanto, o torque é medido justamente
pela determinação do contra-torque que mantém o cilindro interno estático.
Uma vez escolhido o sistema a ser utilizado, Mothé (2009) e Correia (2006)
destacam a existência de três maneiras para realizar testes reológicos: em regime
permanente, em regime oscilatório e em regime transiente. Segundo as referidas
autoras, tais maneiras diferenciam-se quanto ao modo de aplicação da deformação
à amostra.
Em regime permanente utiliza-se a rotação contínua para aplicar uma
deformação e fornecer uma taxa de deformação ou taxa de cisalhamento (γ� )
constante. Quando uma taxa de cisalhamento constante é atingida, mede-se a
tensão de cisalhamento (τ) correspondente e a razão τ /γ� fornece a viscosidade em
regime permanente de cisalhamento η (γ� ). Esse tipo de medida fornece
informações importantes sobre tensão crítica, viscosidade, comportamentos
pseudoplástico e tixotrópico e prediz como materiais se comportam em situações
reais como bombeamento, agitação e extrusão.
Os testes dinâmicos, em regime oscilatório, relacionam a velocidade angular
ou freqüência imposta com a tensão ou deformação oscilatória resultante.
Normalmente eles são realizados em um vasto intervalo de velocidades ou
freqüências, sendo que as amostras não são perturbadas mecanicamente nem as
suas estruturas internas são rompidas, as amostras são investigadas com as
estruturas em repouso.
Os ensaios transientes são realizados na faixa de viscoelasticidade linear,
região onde as propriedades do material não são influenciadas pelas condições do
ensaio (ex. tensão aplicada). Tal região é determinada através de testes de
varredura da amplitude de tensão a uma freqüência constante (Oliveira, 2010).
39
2.4. Reologia do concreto fresco
De acordo com Ferraris (1999), o concreto pode ser entendido como uma
concentração de partículas sólidas em suspensão (agregados) em um líquido
viscoso (pasta de cimento). Por sua vez, a pasta de cimento não se configura como
um líquido homogêneo, sendo composta por partículas (grãos de cimento) e um
líquido (água).
Em uma escala macroscópica, o concreto fresco flui como um líquido
(Ferraris et al, 2001). Assim, conforme ressaltado por Castro (2007) e Reis
(2008), nada mais adequado do que buscar os conceitos da reologia, para se
estudar o comportamento do concreto no estado fresco.
Segundo Banfill (2006), o modelo que melhor descreve esse comportamento
é o de Bingham, ou seja, o concreto precisa de uma tensão inicial diferente de zero
para que o material mude do comportamento de um sólido para o comportamento
de um líquido, onde ocorre o início do escoamento.
Conforme apresentado por Vyalov (1986), o modelo reológico binghamiano
também descreve adequadamente o comportamento dos solos sobre um estado
permanente de tensão.
Assim, tanto os solos quanto o concreto exigem a determinação de dois
parâmetros reológicos para sua completa caracterização: a viscosidade e a tensão
de escoamento.
Ferraris (1999) destaca que a determinação dos dois parâmetros reológicos
permite a diferenciação imediata de concretos que poderiam ser erroneamente
considerados idênticos, conforme ilustrado na Figura 7, se apenas um dos
parâmetros fosse determinado.
Embora necessária, a determinação dos dois parâmetros é mais difícil e os
ensaios mais comuns medem apenas um parâmetro reológico. A Tabela 2
apresenta um resumo dos ensaios e equipamentos existentes para medir os
parâmetros reológicos do concreto no estado fresco.
40
Figura 7 - Reologia do concreto: a) mesma tensão de escoamento e diferentes viscosidades; b) mesma viscosidade e diferentes tensões de escoamento
(Adaptado de Ferraris, 1999)
Tabela 2 - Resumo dos ensaios e equipamentos existentes para medir os parâmetros reológicos do concreto no estado fresco (Adaptado de Reis, 2008)
Ensaio Ilustração Parâmetro
Abatimento de tronco de
cone
Tensão de
escoamento
Penetração (Kelly ball, Vicat, ensaio de Wigmore)
Tensão de
escoamento
Viscosímetro de tubo rotativo
Tensão de
escoamento
41
Ensaio de K-slump
Tensão de
escoamento
Consistômetro de Vê-Be
Viscosidade
plástica
Cone de escoamento (cone de Marsh)
Viscosidade
plástica
Caixa L
Viscosidade
plástica
Aparelhagem de Orimet
Viscosidade
plástica
Two point workability
test
Viscosidade e tensão de escoamento
42
Reômetros
Viscosidade e tensão de escoamento
Ensaio de abatimento de tronco de cone
modificado
Viscosidade e tensão de escoamento
2.5. Reologia de solos
De um modo geral, a mecânica dos solos clássica assume que o solo é um
material: perfeitamente plástico, quando problemas de estabilidade são analisados;
pseudo-elástico, quando estimativas de deformação sob um dado carregamento
são requeridas; e elasto-plástico, quando projetos são desenvolvidos (Keedwell,
1984).
Diante de tantas possibilidades, na tentativa de encontrar uma única solução
para problemas práticos, a ser utilizada em cálculos de deformação e estabilidade,
Keedwell (1984) propôs o estudo das propriedades reológicas do solo para que um
modelo mais adequado fosse então determinado.
Segundo Vyalov (1986), a reologia dos solos pode ser entendida como um
ramo da mecânica dos solos que trata de investigar não só a origem como também
as mudanças dependentes do tempo provocadas no estado de tensões e
deformações do solo.
Após uma análise profunda da relação entre as taxa de tensão e deformação
para diversos solos, Vyalov (1986) concluiu que o modelo reológico de Bingham
(viscoplástico) poderia descrever o comportamento dos solos sob estado
permanente de tensões. No entanto, é válido ressaltar que tal comportamento já
havia sido matematicamente proposto por Gupta & Pandya (1966).
43
Desde então, o comportamento viscoplástico do solo tem sido reportado em
diversos estudos [Ghezzehei & Or (2001); Spira et al (2005); Karmakar &
Kushwaha (2007); Karin & Gnanendran (2008); Abdullan (2011)].
Ghezzehei & Or (2001) estudaram as propriedades reológicas de solos com
diferentes teores de umidade sob estado permanente e oscilatório de tensões. Os
resultados encontrados, oriundos de ensaios realizados em um reômetro rotacional
com placas paralelas apresentaram, para baixas umidades e rápidos
carregamentos, um aumento na componente elástica da deformação, indicando um
comportamento viscoelástico sob estado oscilatório de tensões. Ao passo que os
ensaios sob um estado permanente, realizados em solos com elevadas umidades,
ratificaram o comportamento viscoplástico proposto por Vyalov (1986).
Spira et al (2005) retrataram os benefícios obtidos com a modelagem
avançada do solo, através da consideração de parâmetros viscoplásticos, na
simulação numérica da interação solo-estrutura para a execução de um túnel.
Karmakar & Kushwaha (2007) desenvolveram um reômetro motorizado,
apresentado na Figura 8, baseado no vane test, para determinar os parâmetros
viscoplásticos do solo. Medidas reológicas foram executas em solos com
diferentes teores de umidade e diferentes graus de compactação no intuito de
analisar os seus efeitos na viscosidade e tensão de escoamento. Foi observado que
a tensão de escoamento é diretamente proporcional ao grau de compactação
enquanto que a viscosidade é inversamente proporcional à umidade.
Figura 8 - Reômetro motorizado desenvolvido por Karmakar & Kushwaha (2007)
Karin & Gnanendran (2008) apresentaram uma revisão dos modelos
viscoplásticos que são utilizados para modelagem dos solos quando do estudo da
previsão de recalques de solos moles.
44
Abdullan (2011) explanou os resultados das análises viscoplásticas, feitas
em elementos finitos, para alguns problemas de geotecnia, apresentando também
uma solução para problemas complexos onde as grandezas dentro do domínio do
solo são dominadas por tensões de tração e apresentam mudanças bruscas na
tensão de cisalhamento.
No que tange a determinação dos parâmetros reológicos de solos, diversas
investigações realizadas em trabalhos voltados para o estudo de corridas de massa
[O’Brien & Julien (1988); Julien & León (2000); Egashira et al (2001); Huang &
Aode (2009); Boniello et al (2010)] mostraram que a viscosidade e a tensão de
escoamento crescem exponencialmente com a concentração de sedimentos (Cv),
conforme indicado nas Equações 5 e 6 e ilustrado nas Figuras 9 e 10.
� � ������ (5)
� � � ����� (6)
*Onde Cv = Vs (volume de sedimentos)/ Vt (volume de água mais sedimentos)
Os valores dos quatros coeficientes empíricos (α1, α2, β1, β2), apresentados
na Tabela 3, foram determinados por O’Brien & Julien (1988) através de
retroanálises de corridas de massa ocorridas nas cidades de Aspen e Glenwood,
ambas localizadas no estado do Colorado, nos Estados Unidos.
Tabela 3 - Viscosidade e tensão de escoamento como função da concentração de sedimentos (Adaptado de O’Brien & Julien, 1988)
Material � � ��
���� � � � �����
α1 (Pa.s) β1 α2 (Pa) β2
Aspen Pit 1 3,60 x 10-3 22,10 1,81 x 10-2 25,70
Aspen Pit 2 5,38 x 10-3 14,50 2,72 x 10-1 10,40
Aspen Natural Soil 1,36 x 10-4 28,40 1,52 x 10-2 18,70
Aspen Mine Fill 1,28 x 10-2 12,00 4,73 x 10-3 21,10
Aspen Natural Soil Source 4,95 x 10-5 27,10 3,83 x 10-3 19,60
Aspen Mine Source 2,01 x 10-5 33,10 2,91 x 10-2 14,30
Glenwood 1 2,83 x 10-3 23,00 3,45 x 10-3 20,10
Glenwood 2 6,48 x 10-2 6,20 7,65 x 10-3 16,90
Glenwood 3 6,32 x 10-4 19,90 7,07 x 10-5 29,80
Glenwood 4 6,02 x 10-5 33,10 1,72 x 10-4 29,50
45
Figura 9 - Correlação entre a tensão de escoamento e a concentração de sedimentos (O’Brien & Julien, 1988)
Figura 10 - Correlação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos (O’Brien & Julien, 1988)
3
Características dos locais estudados
Para a realização dos ensaios foram escolhidos quatro solos. Um dos
materiais consiste em um solo maduro e argiloso, que se localiza na encosta do
campus principal da PUC-Rio. O segundo material, localizado na Bacia dos rios
Quitite e Papagaio, no bairro de Jacarepaguá - Rio de Janeiro, tem características
areno-argilosas. O terceiro e o quarto material são solos areno-argilosos e
argilosos, provenientes respectivamente da Reserva Biológica do Tinguá e do
Campus Avançado da PUC, localizados no município de Nova Iguaçu - Rio de
Janeiro.
O primeiro material foi escolhido tanto em função da grande quantidade de
informações disponíveis quanto da localização e do fácil acesso. Diversas teses e
dissertações [Marinho (1986), Lins (1991), Daylac (1994), Beneveli (2002),
Duarte (2004), Soares (2005), Espinoza (2010)] utilizaram este solo para realizar
ensaios especiais e testar equipamentos desenvolvidos na PUC-Rio.
O segundo local foi escolhido devido aos trabalhos desenvolvidos por
Macias et al (1997), Gomes (2006) e Espinoza (2010). Os primeiros autores
definiram valores de viscosidade e velocidade de movimentação dos materiais
envolvidos na corrida de massa ocorrida nas áreas do Quitite e Papagaio em 1996
a partir de retroanálises numéricas. Espinoza (2010), por sua vez, estudou o
potencial de liquefação de um material representativo da bacia do Quitite.
O terceiro e o quarto local, por sua vez, foram escolhidos para contribuir
com estudos relacionados ao Projeto Tinguá, parte de um Projeto PRONEX, em
desenvolvimento no Núcleo de Geotecnia Ambiental da PUC-Rio, no qual a
presente dissertação encontra-se inserida.
47
3.1. Campo Experimental II PUC-Rio
3.1.1. Localização e amostragem
As amostras de solo foram coletadas do Campo Experimental II, localizado
no interior do campus principal da PUC-Rio, conforme indicado na Figura 11.
Devido à metodologia utilizada para a execução dos ensaios de viscosidade, a ser
apresentada no item 6.2, optou-se pela coleta de material amolgado, extraído da
superfície (Figura 12).
Figura 11 - Localização do Campo Experimental II da PUC-Rio (Beneveli, 2002)
Figura 12 - Coleta do material do Campo Experimental II da PUC-Rio
48
3.1.2. Geologia e geomorfologia
O Campo Experimental II da PUC-Rio está inserido no maciço da Tijuca,
sendo este último caracterizado por apresentar biotita-plagioclásio-gnaisses,
microclina-gnaisses, leptinitos/granitos e granodioritos (Brito, 1981).
Segundo Lins (1991), o Campo Experimental II apresenta um manto de solo
muito desenvolvido, proveniente da intemperização de um gnaisse clataclástico,
rocha de alto grau de metamorfismo, composto principalmente por quartzo,
feldspato e biotita. Como minerais acessórios estão presentes a muscovita e a
granada.
Sertã (1986) aponta para a inexistência de um afloramento rochoso aparente.
No entanto, destaca que o embasamento local é constituído por granada-biotita-
plagioclásia-gnaisse com textura granulolepidoblástica referido ao Pré-Cambriano
de idade não determinada.
No tocante aos aspectos geomorfológicos, Brito (1981) destaca a presença
de morros que se elevam bruscamente, quase sem a transição da planície, como
principal característica da paisagem do município do Rio de Janeiro. A feição
abrupta e declividade elevada apresentadas na encosta da PUC-Rio ratificam as
referidas características.
Pedologicamente, o solo é classificado como podzólico vermelho-amarelo.
Sobre o solo residual jovem existe uma camada de solo residual maduro, podendo
este ser descrito como uma matriz argilosa vermelho-amarelada com muitos grãos
de quartzo fraturado e grãos de produto de alteração da granada. No solo residual
jovem verifica-se a existência de fraturas e filonares quartzo-feldspáticas de
granulação bastante variável (Beneveli, 2002).
Uma descrição morfológica representativa do perfil do Campo Experimental
II da PUC-Rio, obtida por Daylac (1994) a partir da inspeção de um poço aberto
com aproximadamente 13,5m de profundidade, é apresentada na Figura 13.
49
Figura 13 - Descrição morfológica do perfil do Campo Experimental II da PUC-Rio (Dylac, 1994)
3.1.3. Aspectos climáticos
De acordo com Brito (1981), o município do Rio de Janeiro está sujeito a
cinco diferentes tipos de clima. A região em estudo foi definida como pertencente
a uma Zona Megatérmica com clima tropical quente e chuvoso, tendo no mês
mais seco uma precipitação superior a 60mm e no mês mais frio uma temperatura
50
maior que 18°C. A pluviosidade média da região gira em torno de 1.800 a
2.000mm anuais.
A análise climática dessa região indica condições para a ocorrência de solos
profundos, bem desenvolvidos, com tendência acentuada para acidez e com um
processo de intemperismo bem caracterizado (Brito, 1981).
3.2. Bacias dos rios Quitite e Papagaio
3.2.1. Localização e amostragem
Intensamente estudadas devido a uma série de escorregamentos ocorridos
em 1996, as bacias dos rios Quitite e Papagaio, Figura 14, englobam uma área de
5 km² e estão localizadas na vertente oeste do maciço da Tijuca, no bairro de
Jacarepaguá, na cidade do Rio de Janeiro.
Figura 14 - Localização das bacias dos rios Quitite e Papagaio e modelo digital do terreno em alta resolução (2m x 2m) gerado por Gomes (2006)
51
Conforme ilustrado na Figura 15, a amostragem do solo desta área seguiu a
mesma metodologia anteriormente apresentada, ou seja, coletou-se material
amolgado, extraído da superfície.
Figura 15 - Coleta do material das bacias dos rios Quitite e Papagaio
3.2.2. Geologia e geomorfologia
A geologia local caracteriza-se por um conjunto de rochas metamórficas de
alto grau com diferentes unidades geológicas como kinzigito, biotita gnaisse,
biotita granito, quartzo diorito e o gnaisse archer (GEORIO, 1996).
Destacando-se como unidade predominante na área, o gnaisse archer
corresponde a tipos gnáissicos semifacoidais com bandeamento metamórfico
notável e coloração rosa avermelhado a branco, dependendo da quantidade de
máficos.
Ainda em termos geológicos, Rodriguez (2005) destaca a ocorrência de
fraturas de alívio, fraturas subverticais, diques nas direções das fraturas
subverticais e planos de foliação, o que facilita a percolação de água e a posterior
ocorrência de deslizamentos.
Segundo Fernandes et al (2001), os solos são bastante rasos na porção
superior das bacias, com total domínio de Litossolos e Cambissolos. Nas porções
52
média e inferior, os perfis de alteração nas encostas tornam-se bem mais espessos,
podendo atingir cerca de 4,0 m de espessura. Nestas porções, os fundos dos vales
encontram-se, por sua vez, preenchidos por espessos depósitos, podendo alcançar
mais de 10 m de espessura.
Com relação à geomorfologia, na porção superior, as duas bacias
apresentam uma forte simetria entre suas vertentes. Na porção média, a bacia do
rio Quitite continua com essa característica geomorfológica, porém, a bacia do rio
Papagaio apresenta um acréscimo no número de canais de drenagem perdendo
completamente a sua simetria. Nas porções inferiores para ambas as bacias, o
relevo é bastante suave e há a confluência dos rios (Gomes, 2006).
3.2.3. Aspectos climáticos
A vertente do maciço da Tijuca, onde se localiza a área de estudo, está
voltada para o oceano, funcionando como um obstáculo à propagação de massas
de ar frio dele provenientes. Por este motivo, os índices pluviométricos
produzidos nesta área estão quase sempre acima da média do município
(Espinoza, 2010).
De acordo com Mattos (2006), o clima desta área é classificado como Cfa,
isto é, temperado, mesotérmico e super-úmido. Apresenta temperatura média do
mês mais frio inferior a 18°C, enquanto a temperatura média do mês mais quente
é superior a 22°C (Lorini, 2007).
3.3. Reserva Biológica doTinguá
3.3.1. Localização e amostragem
A Reserva Biológica do Tinguá estende-se por uma área de 26 mil hectares
e abrange seis municípios, situando-se principalmente em Nova Iguaçu.
Devido a sua dimensão e variedade em termos de unidades geológicas,
optou-se por coletar amostras de dois pontos distintos: um situado no interior da
reserva e outro no seu entorno, no campus avançado da PUC-Rio em Tinguá. A
retirada das amostras está apresentada nas Figuras 16 e 17.
53
Figura 16 - Coleta do material do interior da Reserva Biológica do Tinguá
Figura 17 - Coleta do material do Campus Avançado da PUC em Tinguá
54
3.3.2. Geologia e geomorfologia
Conforme de Campos (2012), quatro unidades litológicas ocorrem na região
do Maciço de Tinguá, a saber: o Biotita Gnaisse (Migmatito) e o Granito Foliado
(Granito Gnaisse), ambos da Unidade Rio Negro; o Leucognaisse, do Batólito
Serra dos Órgãos, e as alcalinas. Também foi possível observar que quase a
totalidade dos afloramentos diz respeito às rochas gnáissicas.
Conforme observado no mapa geológico apresentado na Figura 18, os
pontos de amostragem pertencem ao Batólito da Serra dos órgãos, sendo
caracterizados por leucognaisses. De um modo geral, esta unidade litológica é
constituída por materiais com granulação média a fina, compostos por quartzo,
feldspato e biotita em um arranjo equigranular.
Em termos geomorfológicos, a região caracteriza-se pela presença de um
grande número de colinas com cristas vertentes e convexas que tendem a ser em
maior número à medida que se aproximam do maciço do Tinguá e dos
contrafortes da Serra do Mar (Araújo, 2008).
Formada por cinco bacias hidrográficas, a Reserva Biológica do Tinguá é
caracterizada por depósitos de grandes espessuras de tálus e colúvio nos
talvegues, e por solos residuais pouco espessos ou inexistentes nas partes mais
altas.
3.3.3. Aspectos climáticos
O clima da região do Tinguá, segundo a classificação de Köppen, é do tipo
Cwb, correspondente ao Clima Tropical de Altitude, possuindo verões amenos e
chuvas típicas da estação, ou seja, de grande intensidade, porém com baixa
duração, sendo pouco pronunciada nos pontos mais altos da estação seca.
A temperatura média anual de toda a região varia entre 13ºC e 23ºC, com
uma pluviosidade média entre 1500 mm e 2600 mm, distribuída de forma
heterogênea entre as estações. O verão e a primavera são as estações mais
chuvosas em detrimento do inverno e outono, que por sua vez, possuem as
menores médias de precipitação.
55
Figura 18 - Mapa geológico de Tinguá (Adaptado de De Campos, 2012)
4 Caracterização física, química e mineralógica dos solos
O presente capítulo apresenta tanto os procedimentos experimentais
empregados para a realização dos ensaios de caracterização geotécnica dos
materiais estudados quanto os resultados obtidos após a execução dos mesmos.
Para facilitar a identificação, convencionou-se utilizar a seguinte simbologia:
• CEII - Campo Experimental II PUC-Rio;
• BQP - Bacias dos rios Quitite e Papagaio;
• CAT - Campus Avançado da PUC em Tinguá;
• RBT- Reserva Biológica do Tinguá.
4.1. Caracterizações físicas
Para a caracterização física dos solos foram realizados ensaios de massa
específica dos grãos (ρs), 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 Associação
Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).
4.1.1.
Massa específica dos grãos (ρs)
A massa específica dos grãos foi determinada de acordo com a norma
NBR 6508/1984. No total foram utilizados 100g de material seco em estufa a
105°C que foram distribuídos igualmente entre quatro picnômetros de 250mL.
Posteriormente, procedeu-se a extração do ar contido entre as partículas utilizando
uma bomba de vácuo durante 15 minutos ou até que fosse detectada a ausência
total de bolhas de ar.
Este procedimento foi adotado para todos os solos e os valores obtidos a
partir das médias aritméticas de cada uma das quatro determinações foi dividido
57
pela massa específica da água para determinar a densidade relativa dos grãos, Gs,
apresentada na Tabela 4.
Tabela 4 - Valores de Gs obtidos para os solos em estudo
CE II BQP CAT RBT 2,684 2,658 2,661 2,569
4.1.2. Análise granulométrica conjunta
Os ensaios realizados neste trabalho seguiram as prescrições da NBR
7181/84a com apenas algumas adaptações. A ABNT recomenda a realização de
ensaios de sedimentação com material passante na peneira de 2mm (#10), e os
realizados foram feitos de acordo com o método utilizado no Laboratório de
Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, com o material passante na peneira de
0,42mm (#40).
Inicialmente, o material que ficou retido na peneira de 0,42mm foi lavado,
a fim de eliminar o material fino que porventura estivesse aderido ao conjunto,
esta amostra foi então levada para a estufa e este material seco foi utilizado para
fazer o peneiramento grosso.
Os ensaios de sedimentação consistiram em colocar 50g de solo
destorroado, seco ao ar, passante na peneira #40 em 125mL de água ou
hexametafosfato. Após um repouso de 24 horas, procedeu-se a dispersão
mecânica e colocou-se a mistura em uma proveta de 1000mL cujo volume foi
completado com água destilada. Agitou-se a proveta por um minuto e seguiu-se a
realização de leituras do densímetro por 24 horas.
Após as leituras, o material foi colocado na peneira de 0,075mm (#200) e
submetido ao processo de lavagem, sendo posteriormente levado para a estufa.
Após a secagem, procedeu-se o peneiramento fino, completando assim a curva
granulométrica do material analisado.
As curvas granulométricas estão apresentadas nas Figuras 19 e 20,
seguidas pela Tabela 5 que resume a porcentagem de cada fração do solo. É válido
ressaltar que a fase de sedimentação dos ensaios de granulometria foi realizada
com dois defloculantes distintos: hexametafosfato de sódio (H) e água (A).
58
Figura 19 - Curvas granulométricas dos ensaios realizados com hexametafosfato de sódio como defloculante
Figura 20 - Curvas granulométricas dos ensaios realizados com água como defloculante
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000
Po
rce
nta
ge
m q
ue
pa
ssa
(
%)
Diâmetro dos Grãos (mm)
CEII-H CAT-H
BQP-H RBT-H
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000
Po
rce
nta
ge
m q
ue
pa
ssa
(
%)
Diâmetro dos Grãos (mm)
CEII-A BQP-A
RBT-A CAT-A
59
Tabela 5 - Resumo da granulometria dos solos estudados com os dois defloculantes utilizados
Distribuição granulométrica (%)
Ensaio Pedregulho Areia Finos
Grossa Média Fina Total Silte Argila Total CEII-H 5,4 14,1 17,4 11,6 43,1 6,9 44,6 51,5 CEII-A 5,4 14,1 16,7 16,4 47,2 47,3 0,1 47,4 BQP-H 4,8 28,1 15,6 6,4 50,1 8,1 37,0 45,1 BQP-A 4,8 28,1 15,2 9,0 52,3 42,8 0,1 42,9 CAT-H 2,9 24,6 14,2 7,7 46,5 10,1 40,5 50,6 CAT-A 2,9 24,6 27,3 29 80,9 16,0 0,1 16,1 RBT-H 4,8 31,3 18,2 8,3 57,8 10,8 26,6 37,4 RBT-A 4,8 31,3 16,4 17,8 65,5 29,7 0,1 29,8
Os resultados dos ensaios granulométricos realizados com
hexametafosfato como defloculante indicam que os solos CEII e CAT são argilo-
arenosos ao passo que os solos BQP e RBT são areno-argilosos. A utilização da
água como defloculante mostrou que todos os solos ensaiados encontram-se
aglomerados, formando flocos, quando em seu estado natural. Tal estado é
evidenciado na Figura 21, onde a água apresenta uma tonalidade mais clara e o
solo forma uma massa homogênea no fundo da proveta.
Figura 21 - Ensaio de sedimentação feito com hexametafosfato (provetas da esquerda) e água (provetas da direita), após 21h, ressaltando a aglomeração em
forma de flocos do solo em seu estado natural
RBT BQP CAT RBT CAT BQP
60
4.1.3. Limites de consistência e atividade das argilas
Os ensaios de limite de liquidez e limite de plasticidade seguiram as
determinações das normas NBR 6459/84b e NBR 7180/84c, respectivamente.
Todos os ensaios foram realizados com amostras destorroadas, secas ao ar e
passantes na peneira # 40.
O Índice de atividade das argilas (Ia) determinado através da utilização da
expressão de Skempton, apresentada na Equação 7, serve como indicativo da
influência da fração argila no comportamento do solo.
m
IPIa
µ2% <=
(7)
Argilas com índice de atividade menor que 0,75 são consideradas inativas,
quando esse índice está entre 1,25 e 0,75 a atividade é considerada normal, sendo
então ativa para valores maiores que 1,25. A Tabela 6 apresenta os resultados
encontrados e indica que todos os solos ensaiados apresentam uma baixa
atividade.
Tabela 6 - Resultados dos ensaios dos limites de consistência e atividade das argilas
Ensaio LL (%) LP(%) IP(%) Ia CEII 47,7 23,9 23,8 0,53 BQP 55,4 29,4 26 0,70 CAT 64,5 35,9 28,6 0,71 RBT 50,2 32 18,2 0,68
4.1.4. Classificação do solo
Após as análises dos resultados obtidos na caracterização física, pode-se
classificar as amostras ensaiadas utilizando o sistema unificado de classificação de
solos (SUCS).
De acordo com essa classificação, o solo do campo experimental II é uma
argila de baixa plasticidade (CL); o da bacia dos rios Quitite e Papagaio e o da
Reserva Biológica do Tinguá são areias com finos (SC); o do campus avançado é
uma argila de alta plasticidade (CH).
61
4.2. Caracterização química
Para a caracterização química dos solos foram realizados ensaios de análise
química total no Departamento de Geologia da Universidade Federal do Rio de
Janeiro - UFRJ em um espectrômetro de fluorescência de raio-X, modelo PW
2400 Phillips/sequencial.
4.2.1. Análise química total
Os elementos químicos presentes em cada um dos solos ensaiados foram
determinados por fluorescência de raios-X em amostras fundidas com tetraborato
de lítio.
Através destas análises foi possível obter os teores de sílica (SiO2), alumina
(Al2O3), óxido de titânio (TiO2), ferro (Fe2O3), magnésio (MgO), dentre outros
elementos presentes nos solos, conforme apresentado na Tabela 7.
De acordo com Antunes (2013), os teores de alumina e sílica encontrados
indicam que todos os solos estão em estágio avançado de laterização,
proporcionado pela lixiviação dos álcalis e de parte da sílica. Desta forma, os
mesmos poderiam ser classificados como solos maduros.
Tabela 7 - Composição química dos solos estudados
Amostra Al2O3 SiO2 P2O5 K2O TiO2 Fe2O3 ZrO2 Traços L.O.I* CEII 32,83 42,59 0,10 0,15 1,10 7,73 0,01 Ca Cr Mn 15,50 BQP 35,48 45,17 0,10 0,75 0,59 4,39 0,02 Ca Cr Mn 13,50 CAT 40,92 33,41 0,15 0,28 1,01 6,72 0,01 Ca Cr Mn 17,50 RBT 37,38 37,37 0,13 1,69 0,77 5,54 0,02 Ca Cr Mn 17,10
*L.O.I. = Perda ao fogo
4.3. Caracterização mineralógica
A composição mineralógica é importante para a explicação do comportamento
de muitos tipos de solos. Por exemplo, a existência de esmectita, que apresenta
propriedade de aumento da dupla camada em presença de água, pode conferir ao
solo um comportamento expansivo (Espinoza, 2010).
62
Uma ideia preliminar acerca da caracterização mineralógica das amostras foi
obtida por meio da realização de análises térmicas diferenciais.
4.3.1. Análise térmica diferencial (ATD)
Análise Térmica Diferencial (ATD) é uma técnica térmica na qual é medida a
diferença de temperatura entre a amostra e uma substância inerte (referência),
quando ambas são submetidas a um programa controlado de temperatura (Mothé
& Azevedo, 2002).
Mudanças da temperatura da amostra são ocasionadas pelas transições ou
reações entálpicas (endotérmica ou exotérmica) devido a mudanças de fase, fusão,
vaporização, reações de desidratação, oxidação, reações de redução entre outras.
As mudanças de temperatura ocorridas durante estas variações físico e/ou
químicas são detectadas pelo método diferencial (Mothé, 2009).
Os ensaios foram executados no Departamento de Ciência dos Materiais e
Metalurgia (DCMM), com o auxílio de um equipamento do fabricante Perkin
Elmer e do sistema de aquisição de dados Pyris. As amostras foram aquecidas até
880 °C, com aumento de 20 °C por minuto.
De acordo com Santos (1928), a água que preenche os capilares na argila
apresenta um pico endotérmico, agudo e tanto mais intenso quanto mais água
houver, com no máximo 110°C. A gibbsita perde água de constituição acerca de
350 °C, apresentando no termograma um pico endotérmico. A 450 °C inicia-se a
reação de desidroxilação da caulinita, que é completada a 600 °C, temperatura
essa que é revelada pela presença de um pico endotérmico no termograma.
Conforme observado nos resultados obtidos, ilustrados nas Figuras 22 a 25,
todos os solos analisados apresentam uma fração argílica constituída basicamente
por caulinita e gibbsita. A amostra CEII é formada exclusivamente por caulinita,
BQP apresenta uma pequena quantidade de gibbsita, ao passo que as amostras
CAT e RBT têm sua fração fina dividida entre caulinita e gibbsita.
63
Figura 22 - Análise térmica diferencial para CEII
Figura 23 - Análise térmica diferencial para BQP
Figura 24 - Análise térmica diferencial para CAT
-200
-160
-120
-80
-40
0
40
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Temperatura (°C)
-200
-150
-100
-50
0
50
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Temperatura (°C)
-200
-160
-120
-80
-40
0
40
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Temperatura (°C)
Caulinita
Gibbsita
Caulinita
Caulinita
Gibbsita
64
Figura 25 - Análise térmica diferencial para RBT
-200
-160
-120
-80
-40
0
40
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Temperatura (°C)
Caulinita
Gibbsita
5 Equipamentos e Técnicas Experimentais
De acordo com Castro (2007), quando as propriedades reológicas são
determinadas em laboratório, diz-se que se está realizando ensaios de reometria.
Para isso, existem diversas técnicas experimentais disponíveis que variam de
acordo com o material ensaiado, podendo fornecer um ou dois parâmetros
reológicos, a saber: viscosidade e/ou tensão de escoamento, determinados de
forma direta ou indireta.
Conforme ressaltado anteriormente, o presente estudo almeja o
desenvolvimento de uma metodologia alternativa para a determinação da
viscosidade de solos. Desta forma, análises envolvendo a definição da tensão de
escoamento dos materiais estão fora do escopo deste trabalho.
De um modo geral, o presente capítulo fornece maiores detalhes acerca de
cada uma das técnicas experimentais empregadas, apresentando não somente seus
procedimentos, como também as limitações dos equipamentos utilizados.
5.1.
Medida direta da viscosidade
De acordo com Pinheiro (2007), a medição direta é aquela cujo resultado é
obtido diretamente dos dados experimentais. Nesta definição enquadram-se o
reômetro e o viscosímetro de Brookfield, apresentados a seguir.
5.1.1.
Viscosímetro de Brookfield
De acordo com Vidal-Bezerra (2000), equipamentos para medições
reológicas que seguem o método Brookfield são frequentemente encontrados nos
laboratórios industriais. Estes equipamentos permitem medidas sob várias
velocidades de rotação e fornecem uma primeira ideia sobre o comportamento
reológico.
66
Os ensaios foram realizados no viscosímetro de Brookfield, modelo DVI
Primer, fabricado pela BrasEq®, ilustrado na Figura 26.
Figura 26 - Viscosímetro Brookfield modelo DV I Primer
O procedimento experimental adotado seguiu algumas operações
preliminares: inicialmente o solo foi colocado em estufa a 60°C, destorroado e
passado na peneira #40. Ao todo foram separados aproximadamente 100g do
material passante.
Após pesado, o solo seco foi misturado, com o auxílio de uma espátula, a
uma quantidade de água, sendo colocado no recipiente apresentado na Figura 27
a). Em seguida, o mesmo foi encaixado no equipamento e uma determinada
rotação por minuto foi imposta à haste utilizada, Figura 27 b). Através do visor
acompanhavam-se as oscilações no valor da viscosidade até que a mesma
atingisse um valor constante. A partir deste momento, uma nova rotação poderia
ser imposta.
Figura 27 - a) Recipiente utilizado para colocar o material a ser ensaiado; b) Haste
utilizada nos ensaios (splinder 31)
a) b)
67
De acordo com Kiryu (2006), a principal limitação deste viscosímetro está
relacionada à falta de garantia da precisão dos dados coletados abaixo de 10 s-1
de
taxa de cisalhamento.
5.1.2.
Reômetro
Os ensaios foram realizados no reômetro rotacional Haake Mars, Figura 28,
fabricado pela Thermo Scientifc®. Este equipamento permite análises de tensão
controlada, quando se impõe uma tensão pré-definida e determina-se a taxa de
cisalhamento resultante, ou de deformação controlada, quando uma taxa de
cisalhamento é imposta e a tensão resultante é determinada.
Figura 28 - Reômetro Haake Mars utilizado neste trabalho
De acordo com Naccache (2012), a escolha do tipo de geometria a ser
utilizada em reômetros rotacionais, a saber: couette, cone-placa e placa-placa,
depende basicamente de três fatores: o tipo de fluido, a faixa de viscosidade e a
taxa de deformação.
A geometria de Couette, ou cilindros concêntricos, ilustrada na Figura 29 a),
é utilizada para fluidos pouco viscosos e altas taxas de deformação. A geometria
cone-placa, Figura 29 b), não é indicada para suspensões, uma vez que a
inclinação da placa reduz a quase zero a folga no centro da geometria, podendo
68
ocasionar a retenção de material neste ponto. Desta forma, optou-se por utilizar a
geometria de discos paralelos, ou placa-placa, pois, além de ser a mais apropriada
para suspensões, esta configuração permite a variação da folga e a execução de
ensaios em materiais com uma ampla faixa de viscosidade.
Dentre as os tipos de placas disponíveis, optou-se por utilizar a placa-placa
do tipo cross hatch. Conforme ilustrado na Figura 29 c), a referida geometria
apresenta ranhuras em suas faces internas, evitando assim o deslizamento do
material, observado quando uma geometria lisa foi utilizada (Figura 29 d).
Figura 29 - Tipos de geometrias disponíveis: a) couette; b) cone-placa; c) placa-
placa do tipo cross hatch; d) placa-placa do tipo lisa
De acordo com O’Brien & Julien (1988) , a folga existente entre as placas
deve ser de dez vezes o diâmetro da maior partícula existente no material
ensaiado. Como o reômetro utilizado apresenta uma folga máxima de 4,0mm,
optou-se por utilizar materiais passantes na peneira #40, cuja abertura é de
0,42mm. Tal fato justifica a escolha da referida peneira para as análises no
abatimento do tronco de cone.
Entretanto, durante a realização dos ensaios, observou-se que, nos solos
mais viscosos, a utilização da folga máxima forçava o motor do reômetro, e nos
a) b)
c) d)
69
menos viscosos, propiciava o extravasamento do material além dos limites da
geometria, Figura 30. Assim, optou-se por utilizar uma folga de 2,0mm.
Figura 30- Extravasamento de material no ensaio utilizando uma folga de 4,0mm
Os testes realizados foram tipo CD (deformação controlada), ou seja, uma
taxa de cisalhamento (γ� ) era imposta, a tensão resultante (τ), decorrente do torque
aplicado para rotacionar a haste, era determinada e a razão τ/γ� fornecia a
viscosidade em função do tempo.
O tempo de execução do ensaio foi determinado com base no ressecamento
ou sedimentação do material. De acordo com a Figura 31, o teste realizado com o
ponto mais seco do material BQP (w= 81,50%) indicou uma grande dispersão da
viscosidade a partir de 200s, provavelmente associada ao início do ressecamento
do material, ratificada pela Figura 32.
Figura 31 - Grande dispersão encontrada a partir de 200s no ensaio realizado para
o ponto mais seco da BQP (w= 81,50%)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 100 200 300 400 500
Vis
cosi
da
de
(P
a.s
)
Tempo (s)
70
Figura 32 - Indicativo do ressecamento do material durante o ensaio: espaço vazio
entre as placas
A análise dos dados obtidos a partir de um dos pontos mais úmidos do CAT
(w= 103,46%), Figura 33, também indica uma mudança de comportamento do
material a partir dos 200s, neste caso, observa-se a diminuição da viscosidade do
material, associada, conforme observado na Figura 34, a sedimentação do mesmo.
Desta forma, a duração dos ensaios foi limitada a 200s.
Figura 33 - Diminuição da viscosidade do material a partir de 200s no ensaio
realizado para um dos pontos mais úmidos do CAT (w= 103,46%)
Figura 34 - Lâminas de água formadas pela sedimentação do material
0
100
200
300
400
500
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Vis
cosi
da
de
(P
a.s
)
Tempo (s)
71
No intuito de minimizar a aceleração do processo de ressecamento,
provocada pela exposição da amostra ao ar condicionado, utilizou-se uma capa
protetora de acrílico, apresentada na Figura 35.
Figura 35 - Capa protetora de acrílico utilizada para minimizar a exposição da
amostra ao ar condicionado
As observações e os testes iniciais supracitados definiram o procedimento
experimental adotado (Figura 36):
1) regular a temperatura do banho (25°C) e iniciar a programação do
ensaio, fornecendo como dados de entrada: a folga (2,0mm) e a taxa de
cisalhamento a serem utilizadas;
2) com o auxílio de uma batedeira, homogeneizar, por aproximadamente
10 minutos, 1kg de solo seco (passante na peneira #40) com a
quantidade de água calculada para o primeiro ponto do ensaio;
3) coletar uma quantidade do material para verificar sua umidade;
4) utilizar uma seringa para conduzir o material até o reômetro;
5) diminuir o tamanho da folga (2,1mm) para promover o espalhamento do
material;
6) retirar o excesso de material, promovendo a limpeza da lateral da
geometria;
7) ajustar a folga (2,0mm), colocar a capa protetora de acrílico e iniciar o
ensaio;
8) repetir os procedimentos anteriores (3 a 7) mais duas vezes para garantir
a repetitividade do ensaio;
9) para a análise de uma nova umidade deve-se recolocar o material na
batedeira, acrescentar a quantidade de água correspondente, bater por 10
minutos e repetir os passos anteriormente apresentados.
72
Figura 36 - Etapas do procedimento experimental estabelecido para os ensaios no
reômetro: a) regularização da temperatura; b) homogeneização do material; c)
colocação da amostra na placa inferior; d) espalhamento do material; e) limpeza
da lateral da geometria; f) colocação da capa protetora e início do ensaio
a) b)
c) d)
e) f)
73
5.2.
Medida indireta da viscosidade
De acordo com Pinheiro (2007), a medição indireta é aquela cujo resultado é
obtido através de medições diretas de outras grandezas, ligadas por uma
dependência conhecida com a grandeza procurada. Nesta definição enquadram-se
os equipamentos de abatimento de tronco de cone tradicional e modificado.
5.2.1.
Abatimento do tronco de cone tradicional
O slump test, conhecido no Brasil como ensaio de abatimento de tronco de
cone, é um dos mais famosos e mais antigos ensaios de trabalhabilidade para
concreto. Devido à sua simplicidade, este método é amplamente utilizado em todo
o mundo.
Desenvolvido nos Estados Unidos por volta de 1910, acredita-se que o
slump foi utilizado pela primeira vez por Chapman, embora em muitos países o
aparelho seja associado à Abrams (Bartos et al., 2002).
Apresentado por Castro (2007) como uma excelente ferramenta para o
controle da qualidade do concreto, o ensaio permite detectar pequenas mudanças
na composição da mistura, tais como variações no teor de água a partir da
especificação da dosagem original.
Sua desvantagem está no fato deste método de ensaio poder fornecer
respostas diferentes para uma mesma amostra de concreto quando realizado por
diferentes operadores e mesmo quando repetido por um mesmo operador,
verificando-se uma grande dispersão entre suas medidas (Reis, 2008).
O equipamento utilizado consiste, basicamente, de um tronco de cone
metálico aberto em ambas as extremidades (altura de 300 mm, diâmetro inferior
de 200 mm e diâmetro superior de 100 mm), que é mantido firmemente apoiado
sobre uma placa metálica não-absorvente (de 500 mm x 500 mm) por meio do
posicionamento do operador sobre os apoios laterais fixados ao molde metálico.
Ele é preenchido com concreto seguindo um procedimento padrão e, em seguida,
levantado verticalmente. Com isso, o concreto sofre um abatimento, o qual é
medido.
74
No Brasil, este ensaio é regulamentado pela NBR NM 67/98 – Concreto -
Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone, que prescreve
os seguintes passos:
1) após a limpeza e umedecimento interno do molde, este deve ser colocado
sobre a placa de base que deve estar igualmente limpa e umedecida, disposta
sobre uma superfície rígida, plana, horizontal e livre de vibrações;
2) o molde é fixado através de suas aletas pelos pés do operador e
preenchido em três camadas aproximadamente iguais. Cada camada é adensada
com 25 golpes uniformemente distribuídos, aplicados com uma haste de
socamento;
3) terminado o adensamento, o excesso de concreto é removido e uma
limpeza da placa metálica de base é promovida;
4) o operador deve retirar o molde do concreto cuidadosamente,
levantando-o na direção vertical com um movimento constante para cima, sem
submeter o concreto a movimentos de torção lateral. Esta operação deve ser feita
no tempo de 10 2 s;
5) imediatamente após a retirada do molde, deve-se medir o abatimento do
concreto, determinando a diferença entre a altura do molde e a altura do eixo do
corpo-de-prova, como ilustrado na Figura 37.
Figura 37 - Ensaio de abatimento do tronco de cone (Reis, 2008)
Neste ensaio, a tensão que promove a mobilização do material, consiste no
peso próprio do concreto por área. O concreto apenas se move caso a sua tensão
de escoamento seja excedida e, assim que a tensão aplicada for menor que a
tensão de escoamento do mesmo, ele estabiliza.
75
5.2.2.
Abatimento do tronco de cone modificado
Uma vez que o ensaio de abatimento de tronco de cone tradicional era capaz
de medir apenas a propriedade reológica relacionada com a tensão de escoamento
do concreto fresco, Tanigawa et al. (1991) propuseram modificações que
tornariam possíveis a obtenção de medidas relacionadas com a viscosidade
plástica do material.
O equipamento adaptado por estes autores, apresentado na Figura 38, era
formado por um medidor de deslocamento associado a um aquisitor de dados que
armazenava o abatimento com o tempo.
Para validar o novo método experimental proposto, Tanigawa & Mori
(1989) e Tanigawa et al. (1991) desenvolveram estudos analíticos através da
aplicação de elementos finitos para simular o fluxo e a deformação do concreto
fresco, que foi assumido como fluido Binghamiano.
Figura 38 - Ensaio de abatimento de tronco de cone modificado proposto por
Tanigawa et al. (1991)
Com o objetivo de deixar o equipamento mais simples e robusto para ser
usado em trabalhos de campo, Ferraris & De Larrard (1998) fizeram algumas
alterações e tentaram caracterizar a viscosidade plástica através de uma taxa
média de abatimento.
76
Dessa maneira, intervalos de tempo necessários para se alcançar uma altura
intermediária entre os valores inicial e final de abatimento pareceram, à priori,
uma boa maneira para descrever a viscosidade dos concretos.
Segundo Ferraris & De Larrard (1998), durante a escolha da altura
intermediária de abatimento, dois problemas potenciais foram levados em
consideração: primeiro, abatimentos muito baixos poderiam levar a tempos de
abatimento muito pequenos e, assim, resultariam em baixa precisão nas medidas;
e segundo, um abatimento parcial que fosse muito alto poderia excluir todos os
concretos com abatimentos finais menores. Assim, como a variação de abatimento
dos concretos capazes de serem avaliados com reômetros é maior que 100 mm,
este valor foi adotado como o valor do abatimento parcial.
A principal modificação feita no equipamento original consistiu na
introdução de uma haste localizada centralmente na placa de base horizontal e no
uso de um disco deslizante, conforme a Figura 39.
Figura 39 - Aparelho do abatimento do tronco de cone modificado (Reis, 2008)
O procedimento para a realização do ensaio de abatimento de tronco de cone
modificado, Figura 40, é simples e semelhante ao ensaio padrão. As etapas de
execução do ensaio são (Ferraris & De Larrard, 1998):
77
1) limpar cuidadosamente a haste central e aplicar algum desmoldante para
facilitar o deslizamento do disco;
2) umedecer a base e a parede do molde usando uma esponja úmida;
3) colocar o molde na base, assegurando que o seu eixo está coincidindo
com o da vara;
4) fixar o molde através de suas aletas pelos pés do operador e preenchê-lo
com três camadas aproximadamente iguais, adensando cada camada com 25
golpes;
5) fazer o acabamento na superfície do concreto usando uma espátula e
limpar a parte da haste localizada acima da amostra de concreto;
6) deslizar o disco pela haste até que este entre em contato com o concreto;
7) levantar o tronco do cone verticalmente e começar a cronometrar
simultaneamente;
8) parar de cronometrar assim que o disco atingir a marca do abatimento de
100mm, travando nesta posição;
9) uma vez estabilizado o abatimento, ou no máximo um minuto após a
realização do ensaio, remover o disco e medir o abatimento com a régua.
Figura 40 - Procedimento experimental do ensaio de abatimento do tronco de cone
modificado (Ferraris & De Larrard, 1998)
Baseado em análises de elementos finitos dos ensaios de abatimento de
tronco de cone e nas medidas da tensão de escoamento, usando um reômetro e o
slump test, Hu (1995) propôs uma fórmula geral, expressa pela Equação 8,
relacionando o abatimento com a tensão de escoamento.
78
(8)
Onde ρ é a densidade do concreto (Kg/m³), τo é a tensão de escoamento (Pa)
e s é o abatimento (mm).
Avaliando a tensão de escoamento prevista por este modelo, Ferraris & De
Larrard (1998) encontraram um erro médio de 195Pa para tensões no intervalo
entre 100 e 2000Pa. Na tentativa de reduzir este erro, tais autores fizeram ajustes
na equação proposta por Hu (1995), mudando a declividade da reta e introduzindo
um termo constante, obtendo assim a Equação 9.
�� ��
347300 � � � 212
(9)
Ferraris & De Larrard (1998) também propuseram equações para determinar
a viscosidade plástica de concretos com abatimentos menores que 260mm,
conforme apresentado a seguir.
� � 1,08. 10�� ∗ �� � 175� para 200mm<s<260mm (10)
� � 25. 10�� ∗ �� para s<200mm (11)
Onde � é a viscosidade plástica em Pa.s e T é o tempo de abatimento em s.
6
Abatimento do tronco de cone desenvolvido
Este capítulo dedica-se a apresentação de uma descrição detalhada sobre
cada componente do equipamento desenvolvido, associada as modificações
implementadas para a solução dos problemas encontrados na confecção deste
novo layout. Também são retratados o procedimento experimental desenvolvido e
as limitações operacionais observadas.
6.1. Componentes do equipamento
O equipamento desenvolvido no presente trabalho tomou como base as
modificações propostas por Ferraris & De Larrard (1998), sendo formado,
basicamente, por uma estrutura de sustentação, um tronco de cone, uma manta
antiaderente e um dispositivo de monitoramento em tempo real de deslocamentos
verticais, aproximando-se assim do conjunto proposto por Tanigawa et al. (1991).
6.1.1. Estrutura de sustentação
A grande dispersão entre as medidas obtidas no ensaio de abatimento de
tronco de cone tradicional são citadas por Day (1996) como um dos principais
problemas associados a este equipamento, pois, conforme mencionado, respostas
diferentes podem ser obtidas para uma mesma amostra em ensaios realizados por
diferentes operadores e, inclusive, quando repetidos por um mesmo operador
(Reis, 2008).
Esta falta de repetitividade, relacionada à operação manual, foi resolvida
através da mecanização do processo de retirada do cone. Para tal, foi projetada
uma estrutura de sustentação feita com perfis de alumínio com seção de
45x45mm, Figura 41. A referida estrutura foi ainda associada a um sistema de
cabos e roldanas, responsável por suavizar o movimento vertical e ascendente de
subida do cone.
80
Figura 41 - Estrutura de sustentação projetada: a) vista frontal; b) vista lateral; c) vista superior (dimensões em cm)
a) b) c)
81
6.1.2. Tronco de cone
O tronco de cone utilizado, fabricado em aço zincado, tem 30cm de altura,
20cm de diâmetro inferior e 10cm de diâmetro superior, seguindo os padrões
estabelecidos na NM 67/98 – Concreto - Determinação da consistência pelo
abatimento do tronco de cone.
Para diminuir o atrito lateral com o solo, o tronco de cone recebeu um
tratamento termoquímico de Xylan® preto, um revestimento de fluorpolímeros
que confere antiaderência à superfície.
A imobilização do equipamento, promovida em sua versão tradicional pelo
peso do operador sobre as aletas passou a ser proporcionada, na configuração
modificada, por dois tarugos de latão com aproximadamente 12,5kg cada.
No entanto, a realização dos testes iniciais ainda indicou certa instabilidade
no aparelho. Tal fato foi solucionado com o acréscimo de três anilhas de 0,5kg,
totalizando assim 14kg em cada aleta. A Figura 42 ilustra as duas configurações
desenvolvidas.
Figura 42 - Configurações do tronco de cone desenvolvidas para o ensaio
modificado: a) apenas dois tarugos; b) tarugos mais anilhas de 0,5kg
6.1.3.
Manta antiaderente
A superfície de espalhamento do material contido no interior do cone
deveria ser lisa e auxiliar a vedação da lateral inferior do equipamento, evitando
assim a saída de água. Por apresentar as características citadas, optou-se por
utilizar uma manta de silicone de 50x50cm.
a) b)
82
6.1.4. Dispositivo de monitoramento dos deslocamentos verticais
A determinação do dispositivo de monitoramento dos deslocamentos
verticais foi o principal problema encontrado no desenvolvimento do
equipamento, pois a taxa de velocidade de execução do ensaio, aproximadamente
30 cm/s, exigia uma instrumentação dinâmica de elevada rapidez e precisão.
De um modo geral, foram testadas três configurações: a primeira foi
formada por um transdutor de deslocamento linear, um aquisitor de dados e um
disco de latão; a segunda foi constituída por um acelerômetro e um Hyper
Teminal®; a terceira foi semelhante à primeira, diferindo apenas pelo disco
utilizado que passou a ter maiores dimensões, sendo feito em acrílico.
• Configuração 1: transdutor de deslocamento linear, aquisitor de dados e
disco de latão
A configuração inicial foi desenvolvida para evitar os erros operacionais
embutidos no tempo de resposta para acionamento do cronômetro. Assim, a haste
central e o disco deslizante, presentes no equipamento proposto por Ferraris & De
Larrard (1998), foram substituídos por um transdutor linear Gefran® LT-M 300,
com 30cm de curso, precisão de 0,05%, repetitividade de 0,01mm e resolução
infinita. Conforme ilustrado na Figura 43, a haste do transdutor foi acoplada a um
disco de latão com 6cm de diâmetro no intuito de estabelecer o contato com o
solo.
Figura 43 - Transdutor linear e disco de latão utilizados nesta configuração
83
Um transdutor para potenciômetro Tecnolog® FS200, com precisão de
0,2%, recebia os dados do transdutor linear, encaminhando-os para o sistema de
aquisição de dados Novus MyPCLab® que, por sua vez, transferia as informações
para o computador, armazenando um dado para cada 0,01s. A Figura 44 ilustra os
dois equipamentos utilizados nesta configuração.
Figura 44 - Transdutor para potenciômetro, a esquerda, e sistema de aquisição de
dados a direita
A execução de ensaios com o solo em condições de umidade acima do
limite de liquidez envolvia variações de tempo muito rápidas, da ordem de 1
segundo. Como o transdutor utilizado não possuía a haste livre, exigindo uma
força mínima de 2N para iniciar o deslocamento, o movimento não era
acompanhado adequadamente, conforme ilustrado na Figura 45. Tal fato
impossibilitou a utilização desta configuração, pois a velocidade medida referia-
se, na verdade, ao deslocamento da haste do transdutor e não à massa de solo
escoada.
Figura 45- Dificuldade do transdutor para acompanhar o deslocamento do solo: a)
a massa já teve seu movimento encerrado, mas o transdutor ainda continua a
descer; b) apenas após alguns segundos o transdutor atinge a posição final da
massa de solo
a) b)
84
A princípio pensou-se em corrigir este problema através da colocação de
pesos adicionais no disco utilizado para estabelecer o contato entre o solo e o
transdutor, Figura 46. Embora alguns testes tenham sido realizados, tal opção foi
descartada, pois estes pesos representariam uma força externa contribuindo para o
aumento da velocidade de escoamento.
Figura 46 - Ensaio realizado com a colocação de um peso adicional no disco que
faz contato solo/transdutor com a finalidade de aumentar a velocidade de
deslocamento da haste
• Configuração 2: acelerômetro e Hyper Teminal®
Na segunda configuração, apresentada na Figura 47, a utilização de um
acelerômetro Witilt® v.3, pesando aproximadamente 50g, eliminou a força
externa gerada pela colocação de pesos no disco acoplado ao transdutor. Este
instrumento funciona por Bluetooth® e tem uma frequência máxima de 135Hz,
realizando, portanto, uma leitura a cada 0,0074 segundos.
Figura 47 - Acelerômetro utilizado na segunda configuração
85
Como as variações de tempo para a realização do ensaio são muito rápidas e
o instrumento é sensível a variações ocorridas em relação à aceleração da
gravidade, optou-se por utilizar a sua frequência máxima, obtendo assim a maior
quantidade de dados possível.
No entanto, tal decisão implicou na inviabilização da utilização do Hyper
Teminal® como sistema de armazenamento de dados, pois sua capacidade é
limitada a aquisição de 500 dados, o que representa, para a frequência máxima,
um tempo de 3,7 segundos, que embora suficiente para monitoramento exclusivo
do deslocamento do tronco de cone, não supre o acompanhamento de todo o
processo (deslocamento do operador para colocação do peso, execução do ensaio
e finalização da aquisição), o que demandaria cerca de 15 segundos de leitura.
Como solução alternativa tentou-se utilizar o LabView®, um software de
projetos gráficos e sistemas que faz aquisição de dados com maior rapidez.
Porém, o acelerômetro não foi reconhecido pelo software e sua utilização foi
inviabilizada.
• Configuração 3: transdutor de deslocamento linear, aquisitor de
dados e disco de acrílico
A terceira configuração utilizou um transdutor de deslocamento linear com a
mesma especificação apresentada anteriormente, porém com uma haste livre e
acoplada a um disco de acrílico, detalhado na Figura 48.
Figura 48 - Detalhamento do disco de acrílico utilizado (dimensões em cm)
A liberdade de deslocamento da haste associada a maior área de contato
entre o disco e o solo resolveram os problemas encontrados na primeira
concepção apresentada. Tais modificações foram suficientes para proporcionar o
acompanhamento do movimento da massa de solo, fazendo desta, a configuração
a ser utilizada nos ensaios desenvolvidos.
As Figuras 49 e 50 apresentam detalhes da configuração utilizada.
86
Figura 49 - Detalhe do equipamento desenvolvido antes da realização do ensaio: a) dimensões de projeto (unidades em cm); b) configuração real
(a) (b)
87
Figura 50 - Detalhe do equipamento desenvolvido após a realização do ensaio: a) dimensões de projeto (unidades em cm); b) configuração real
(a) (b)
6.2. Procedimento experimental
Antes da execução do ensaio, são necessários alguns procedimentos para
preparar a amostra a ser utilizada. Inicialmente, esta deve ser seca em estufa a
60°C, de modo a preservar as características mineralógicas do solo, destorroada e
passada na peneira #40. Ao todo devem ser separados aproximadamente 6kg do
material passante.
Em seguida, deve-se definir os valores das umidades que serão analisadas e
fazer um cálculo aproximado da quantidade de água que deve ser acrescida à
massa de solo seco utilizada. Uma vez finalizadas essas operações preliminares
deve-se seguir as etapas de execução listadas abaixo:
1) misturar, em equipamento adequado, durante 10 minutos, a massa de solo
seco reservada com a quantidade de água calculada para o primeiro ponto do
ensaio, Figura 51;
Figura 51 - Preparação da amostra: mistura água e solo
2) passar glicerina líquida (C3H8O3) nas paredes do tronco de cone para
reduzir o atrito entre o solo e as paredes internas do equipamento, Figura 52;
Figura 52 - Glicerina a ser utilizada nas paredes internas do tronco de cone
89
3) preencher o tronco de cone com o auxílio de uma concha, Figura 53;
Figura 53 - Preenchimento do tronco de cone
4) fazer o acabamento na superfície usando uma espátula, Figura 54;
Figura 54 - Acabamento da superfície superior do tronco de cone
5) encaixar o disco de acrílico na extremidade da haste do transdutor;
6) iniciar o sistema de aquisição de dados;
7) colocar o peso que levantará o tronco do cone verticalmente, Figura 55;
90
Figura 55 - Colocação do peso para ascensão do cone
8) uma vez estabilizado o abatimento, ou no máximo um minuto após a
realização do ensaio, finalizar a aquisição de dados;
9) retirar eventual material aderido ao interior do cone e pesar o conjunto
bandeja-solo para determinação da massa específica total do solo inserido no
cone;
10) coletar material do centro e da lateral da massa escoada para verificar a
umidade;
Figura 56 - Coleta de material para determinação da umidade
11) recolher o material, limpar o interior do cone e repetir os passos
anteriores (2 a 10) mais duas vezes para verificar a repetitividade dos resultados
obtidos;
12) para a análise de uma nova umidade deve-se recolocar o material na
batedeira, acrescentar a quantidade de água correspondente, bater por 10 minutos
e repetir os passos anteriormente apresentados (2 a 11).
91
6.3. Limitações do equipamento
Com o teor de umidade muito baixo, o solo se comporta mais como sólido.
Por outro lado, quando o teor de umidade é muito alto, solo e água podem fluir
como um líquido. Portanto, arbitrariamente, dependendo do teor de umidade, o
comportamento do solo pode ser dividido em quatro estados básicos – sólido,
semi-sólido, plástico e líquido.
Conforme ressaltado anteriormente, as corridas de massa, objetos de
motivação dos estudos do presente trabalho, são caracterizadas por movimentos
rápidos nos quais os materiais comportam-se como fluidos altamente viscosos
(Guidicini & Nieble, 1984).
Portanto, os solos ensaiados devem estar no estado fluido, ou seja, acima do
limite de liquidez. No entanto, nem todas as umidades podem ser ensaiadas, pois a
configuração utilizada no equipamento desenvolvido impõe restrições ao intervalo
de análise.
O espaço existente entre o transdutor e o tronco de cone, Figura 57, não é
suficiente para promover o completo adensamento do material através de golpes
com uma haste metálica. Assim, o limite inferior da umidade fica restrito a 1,3
vezes o limite de liquidez. Conforme observado na Figura 58, o material ensaiado
com umidade inferior a este limite não preenche completamente o cone, sendo
permeado por vazios que influenciam na velocidade de deslocamento medida.
Figura 57 - Espaço existente entre o transdutor e o tronco de cone
92
Figura 58 - Diferenças no preenchimento do tronco de cone: a) solo com umidade
igual a 1,1 vezes o limite de liquidez; b) solo com umidade igual a 1,3 vezes o
limite de liquidez
Outra limitação associada a este espaço está relacionada com o curso útil da
haste do transdutor. Embora esta tenha 30cm, aproximadamente 6cm são
inutilizados para viabilizar o preenchimento do tronco de cone, Figura 53. Desta
forma, apenas as amostras com abatimento inferior a 24cm conseguem ter seu
deslocamento completamente acompanhado, Figura 59.
Figura 59 - Limitação associada ao espaço existente entre o transdutor e o tronco
de cone: a) abatimento inferior a 24cm; b) abatimento superior a 24cm
O limite superior da umidade, por sua vez, foi determinado com base na
velocidade máxima de deslocamento do transdutor linear utilizado. Após a
realização de alguns testes, observou-se que umidades superiores a duas vezes o
limite de liquidez do material apresentavam o mesmo comportamento na curva de
deslocamento com o tempo, Figura 60, indicando assim que a velocidade máxima
a) b)
a) b)
93
da haste havia sido atingida e o solo passara a movimentar-se mais rápido que o
transdutor.
Figura 60 - Ensaios realizados com umidades superiores a duas vezes o limite de
liquidez do material: velocidade máxima do transdutor utilizado
Assim, o limite funcional do equipamento desenvolvido fica restrito a uma
faixa de valores definida por meio da razão entre a umidade do ensaio (w) e o
limite de liquidez (LL), situada entre 1,3 e 2,0 (Equação 12).
1,3 ��
��� 2,0
(12)
0
5
10
15
20
25
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40
De
slo
cam
en
to (
cm)
Tempo (s)
w1= 2,0*LL
w2= 2,2*LL
w3= 2,4*LL
7 Apresentação e análise dos resultados
Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados experimentais
obtidos nesta pesquisa. Após serem demonstrados individualmente, com base em
cada um dos ensaios realizados, os resultados são correlacionados, culminando
com a determinação de uma equação exponencial em que a viscosidade pode ser
estimada a partir de uma taxa de cisalhamento, sendo esta última obtida mediante
a realização de ensaios no equipamento desenvolvido no presente trabalho.
7.1. Abatimento do tronco de cone
Conforme observado na Tabela 8 e ilustrado na Figura 61, os materiais
foram ensaiados para quatro ou cinco umidades diferentes, de modo a percorrer o
intervalo apresentado no item 6.3, que restringe o limite funcional do equipamento
através da razão entre a umidade do ensaio (w) e o limite de liquidez (LL) a
valores situados entre 1,3 e 2,0.
Tabela 8 - Umidade do ensaio, limite de liquidez e razão entre ambos
CEII BQP CAT RBT LL= 47,7% LL= 55,4% LL= 64,5% LL= 50,2%
w (%) w/LL w (%) w/LL w (%) w/LL w (%) w/LL 61,37 1,29 79,52 1,44 85,64 1,33 68,37 1,36 66,45 1,39 84,54 1,53 89,38 1,39 77,86 1,55 77,31 1,62 94,69 1,71 95,34 1,48 88,61 1,77 85,34 1,79 103,12 1,86 104,53 1,62 97,34 1,94
- - 113,52 2,05 115,01 1,78 - -
95
Figura 61 - Material da RBT após o ensaio do abatimento de tronco de cone modificado para diferentes umidades: a) 68,37%; b) 77,86%; c) 88,61%; d)
97,34%
Durante a execução de cada ensaio, acompanhava-se a velocidade do
material através do seu deslocamento com o tempo, objetivando-se, assim, definir
uma taxa de cisalhamento para cada uma das umidades analisadas. Esta taxa, que
relaciona a diferença de velocidades entre duas partículas vizinhas ou planos
vizinhos (dv) com a distância entre eles (dy), apresentada na Equação 3, também
pode ser expressa pela Equação 13.
a) b)
c) d)
96
Levando-se em consideração que o instante imediatamente anterior a
colocação do peso para ascensão do cone, representava o tempo zero, fez-se
necessária a escolha de altura intermediária de abatimento para que o intervalo de
tempo (dt) fosse então obtido. É válido mencionar que este abatimento refere-se à
distância percorrida pela massa escoada.
De modo análogo ao proposto por Ferraris & De Larrard (1998), dois
problemas potenciais foram levados em consideração: primeiro, abatimentos
muito baixos poderiam resultar em baixa precisão nas medidas; e segundo, um
abatimento parcial que fosse muito alto poderia excluir todos os solos com
abatimentos finais menores.
Assim, como o equipamento desenvolvido tem seu curso útil limitado a
24cm optou-se por escolher um valor aproximadamente intermediário, da ordem
de 10cm, associado também ao menor abatimento final obtido.
Conforme mencionado no procedimento experimental apresentado no item
6.2, após a realização de cada ensaio pesava-se o conjunto bandeja-solo. E, uma
vez descontado o peso da bandeja e a umidade do solo, determinava-se a massa de
solo seco inserida no cone.
De posse deste valor, através da massa específica dos grãos, foi possível
obter o volume de solo seco e, em seguida, determinar a concentração de
sedimentos, definida através da razão entre o volume de solo seco encontrado e o
volume total, sendo este último igual ao volume do tronco de cone do
equipamento desenvolvido.
A Tabela 9 apresenta as concentrações de sedimentos encontradas para cada
um dos ensaios realizados.
Tabela 9 - Concentração de sedimentos e umidade dos ensaios realizados
CEII BQP CAT RBT Cv w (%) Cv w (%) Cv w (%) Cv w (%) 0,36 61,37 0,31 79,52 0,29 85,64 0,35 68,37 0,34 66,45 0,30 84,54 0,28 89,38 0,33 77,86 0,32 77,31 0,28 94,69 0,27 95,34 0,30 88,61 0,30 85,34 0,26 103,12 0,25 104,53 0,28 97,34
- - 0,23 113,52 0,24 115,01 - -
As Figuras 62 a 65 apresentam as curvas de deslocamento com o tempo,
obtidas após a realização dos ensaios para cada uma das amostras em estudo.
97
Figura 62 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo CEII
Figura 63 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo BQP
Figura 64 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo CAT
0
5
10
15
20
25
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40
De
slo
cam
en
to (
cm)
Tempo (s)
w1= 61.37% w2= 66.45%
w3= 77.31% w4= 85.34%
0
5
10
15
20
25
30
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40
De
slo
cam
en
to (
cm)
Tempo (s)
w1 = 79,52%
w2=84,5%
w3=94,7%
w4=103,12%
w5=113,92%
0
5
10
15
20
25
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40
De
slo
cam
en
to (
cm)
Tempo (s)
w1= 85,64%
w2= 89.38%
w3 = 95,34%
w4= 104,53%
w5=115,00%
98
Figura 65 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo RBT
A partir das curvas de deslocamento apresentadas acima, determinou-se o
tempo necessário para que as amostras atingissem um abatimento parcial de
10cm, definindo-se assim as taxas de cisalhamento (��) apresentadas na Tabela 10.
Tabela 10 - Correspondência entre a umidade do ensaio de abatimento de tronco de cone e a taxa de cisalhamento
CEII BQP CAT RBT
w (%) ��(s-1) w (%) ��(s-1) w (%) ��(s-1) w (%) ��(s-1) 61,37 1,8 79,52 1,0 85,64 1,0 68,37 2,7 66,45 2,3 84,54 1,9 89,38 1,4 77,86 3,3 77,31 2,9 94,69 2,6 95,34 2,1 88,61 4,0 85,34 3,7 103,12 2,9 104,53 2,7 97,34 5,0
- - 113,92 3,7 115,01 3,2 - -
Conforme observado na Figura 66, a umidade do ensaio e a taxa de
cisalhamento calculada são grandezas diretamente proporcionais, ou seja, quanto
maior a umidade ensaiada, menor o tempo necessário para atingir o abatimento
parcial de 10cm, e, consequentemente, maior a taxa de cisalhamento medida.
Ademais, as retas de ajuste presentes no gráfico permitem inferir que existe
uma relação linear entre estas duas grandezas (w e ��), expressa através das
equações apresentadas na Tabela 11, variando de acordo com o tipo de solo
ensaiado.
0
5
10
15
20
25
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40
De
slo
cam
en
to (
cm)
Tempo (s)
w1= 68,4% w2= 77,9%
w3=88,6 % w4= 97,4%
99
Figura 66 - Relação entre a umidade do ensaio de abatimento de tronco de cone e
a taxa de cisalhamento
Tabela 11 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir da relação entre a umidade e a taxa de cisalhamento
Solo Equação R² CAT w = 12,931 �� + 71,084 0,9652 BQP w = 13,247 �� + 63,099 0,9509 CEII w = 13,076 �� + 37,638 0,9852 RBT w= 12,629 �� + 35,687 0,9785
A referida proporcionalidade e o paralelismo entre as retas de ajuste
também foram encontrados na análise da relação existente entre a concentração de
sedimentos e a taxa de cisalhamento. Conforme observado na Figura 67, existe
uma relação linear entre estas duas grandezas (Cv e ��), expressa através das
equações apresentadas na Tabela 12, variando de acordo com o tipo de solo
ensaiado.
Figura 67 - Relação entre a concentração de sedimentos e a taxa de cisalhamento
50
60
70
80
90
100
110
120
0 1 2 3 4 5
Um
ida
de
(%
)
� (s-1)
CAT BQP CEII RBT
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00
Cv
� (s-1)
RBT CEII BQP CAT
100
Tabela 12 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir da relação entre a concentração de sedimentos e a taxa de cisalhamento
Solo Equação R² CAT Cv = -0,0207 �� + 0,3084 0,9652 BQP Cv = -0,00291 �� + 0,3463 0,9509 CEII Cv = -0,0034 �� + 0,4198 0,9852 RBT Cv= -0,0316 �� + 0,4307 0,9785
7.2. Viscosímetro de Brookfield
Inicialmente, tentou-se determinar uma possível correlação entre a taxa de
cisalhamento, obtida através do ensaio de abatimento de tronco de cone
desenvolvido, e o valor da viscosidade determinado através de ensaios realizados
no viscosímetro de Brookfield.
Ao todo foram realizados três testes com amostras do CEII. No entanto, os
resultados obtidos não foram satisfatórios, pois o equipamento não conseguiu
encontrar uma viscosidade constante, oscilando indefinidamente. Percebeu-se
também que, dependendo da velocidade de rotação imposta, formava-se um vazio
entre a haste e o solo. Desta forma, tais limitações inviabilizaram o uso deste
equipamento nesta pesquisa.
De acordo com Kiryu (2006), a principal limitação deste viscosímetro está
relacionada à falta de garantia da precisão dos dados coletados abaixo de 10 s-1 de
taxa de cisalhamento, conforme destacado na Figura 68.
Figura 68 - Grande dispersão para dados coletados no viscosímetro de Brookfield para taxas de cisalhamento abaixo de 10 s-1 (Kiryu, 2006)
Vis
cosi
da
de
(P
a.s
)
101
7.3. Reômetro
O ideal seria realizar o ensaio no reômetro imediatamente após o ensaio no
abatimento de tronco de cone desenvolvido, utilizando assim a mesma amostra,
mantendo exatamente os mesmos valores de umidade. No entanto, devido à
disponibilidade dos equipamentos do laboratório de reologia, tal fato não foi
possível.
Desta forma, para garantir a representatividade do comportamento do
material ensaiado, procurou-se estabelecer uma diferença máxima (D) de ±3%
entre as umidades das amostras analisadas no equipamento desenvolvido (wa) e
àquelas obtidas após a realização dos testes no reômetro (wr). A Tabela 13
apresenta uma comparação entre essas umidades, ratificando a diferença obtida.
Tabela 13 - Umidades dos ensaios no abatimento de tronco de cone, no reômetro e diferença entre ambas
CEII BQP CAT RBT wa wr D wa wr D wa wr D wa wr D
61,37 63,82 2,45 79,52 81,50 1,98 85,64 86,86 1,22 68,40 70,66 2,26
66,45 69,33 2,88 84,50 86,50 2,00 89,38 91,24 1,86 77,90 76,35 1,55
77,31 78,80 1,49 94,70 96,14 1,44 95,34 94,28 1,06 88,60 85,92 2,68
85,34 86,12 0,78 103,12 105,82 2,70 104,53 103,46 1,07 97,40 95,57 1,83
- - - 113,92 115,56 1,64 115,00 115,09 0,09 - - -
Onde: wa = umidade do ensaio de abatimento de tronco de cone (%);
wr = umidade do ensaio no reômetro (%);
D = wa - wr (%), em módulo.
As Figuras 69 a 72 apresentam os resultados obtidos após a realização dos
ensaios no reômetro.
102
Figura 69 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo CEII
Figura 70 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo BQP
Figura 71 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo CAT
0
100
200
300
400
500
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Vis
cosi
da
de
(P
a.s
)
Tempo (s)
w1 =64,82% Y1 = 1,8 s-1
w2 = 69,33% Y2 = 2,3 s-1
w3 =78,80% Y3 = 2,9 s-1
w4 =86,12% Y4 = 3,7 s-1
0
200
400
600
800
1000
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Vis
cosi
da
de
(P
a.s
)
Tempo (s)
w1=81,50% Y1 = 1,0 s-1
w2=86,50% Y2 = 1,4 s-1
w2=96,14% Y3 = 2,6 s-1
w4=105,82% Y4 = 2,9 s-1
w5=115,56% Y5 = 3,7 s-1
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Vis
cosi
da
de
(P
a.s
)
Tempo (s)
w1 = 86,86% Ƴ1 = 1.0 s-1
w2=91,24% 2 = 1.4 s-1
w3 = 94,28% Ƴ3 = 2.1 s-1
w4 = 103.46% Ƴ4 = 2.7 s-1
w5 = 115.09% Ƴ5 = 3.2 s-1
103
Figura 72 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo RBT
De um modo geral, a viscosidade associada a cada umidade foi definida a
partir da média dos valores obtidos aos últimos 100 segundos, pois se observou
que neste trecho as curvas apresentavam um comportamento aproximadamente
constante.
A Tabela 14 apresenta a correspondência entre a viscosidade definida no
reômetro e a taxa de cisalhamento obtida no ensaio de abatimento de tronco de
cone.
Tabela 14 - Correspondência entre a viscosidade definida no reômetro (η) e a taxa de cisalhamento (��) obtida no ensaio de abatimento de tronco de cone
CEII BQP CAT RBT
η (Pa.s) �� (s-1) η (Pa.s) �� (s-1) η (Pa.s) �� (s-1) η (Pa.s) �� (s-1) 224,76 1,80 457,47 1,00 574,38 1,00 89,19 2,70 129,19 2,30 243,82 1,90 393,30 1,40 54,23 3,30 58,34 2,90 124,58 2,60 188,73 2,10 30,41 4,00 31,95 3,70 75,37 2,90 108,06 2,70 12,82 5,00
- - 45,55 3,70 62,86 3,20 - -
A Tabela 15, por sua vez, apresenta os valores de viscosidade obtidos por
meio de retroanálises numéricas, desenvolvidas por Macias et al (1997), para
analisar o comportamento mecânico das corridas de massa do Quitite e Papagaio,
ocorridas no Rio de Janeiro em 1996. As relações analíticas utilizadas foram
baseadas nos modelos propostos por Bagnold (1954), fundado no modelo
0
100
200
300
400
500
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Vis
cosi
da
de
(P
a.s
)
Tempo (s)
w1 = 70,66% Y1 = 2,7 s-1
w2 = 76,35% Y1 =3,3 s-1
w3 = 85,92% Y1 = 4,0 s-1
w4 = 95,57% Y1 = 5,0 s-1
104
reológico de Newton, e Johnson (1970), fundado no modelo reológico de Saint
Venant e Bingham.
Tabela 15 - Viscosidade dos materiais envolvidos nas corridas de massa ocorridas no Rio de Janeiro em 1996 (Adaptado de Macias et al, 1997)
Corrida Modelo de Bagnold (Pa.s)
Modelo de Johnson (Pa.s)
Quitite 92 3440
Papagaio 165 1790
De acordo com Macias et al (1997), a diferença entre os valores de
viscosidade encontrados está relacionada ao fato de que no modelo de Johnson
representa-se o depósito como um todo, enquanto no modelo de Bagnold, a
viscosidade é representativa da resistência do material mais fino (matriz), o qual é
intuitivamente menos resistente do que a mistura blocos-matriz (detritos).
Estudos numéricos baseados nas corridas de massa ocorridas nestes locais
também foram desenvolvidos por Gomes (2006). Seu trabalho envolveu a análise
de 150 cenários, dentre estes, o que mais se aproximou da área real mapeada pela
GEORIO à época dos movimentos foi simulado com uma viscosidade de 92 Pa.s.
Por meio de uma interpolação dos resultados obtidos neste trabalho para os
ensaios feitos na amostra BQP, a referida viscosidade, de 92 Pa.s, estaria
associada a uma taxa de cisalhamento de 2,7 s-1, apresentando uma umidade
correspondente a aproximadamente 1,78 vezes o limite de liquidez e uma
concentração de sedimentos da ordem de 0,27.
Desta forma, pode-se inferir que os valores de viscosidade determinados
com base na metodologia aqui apresentada exibem uma boa concordância com os
resultados encontrados na literatura.
7.4. Análise conjunta: abatimento de tronco de cone e reômetro
Conforme observado nas Figuras 73 a 76, independente do solo analisado,
os resultados experimentais, a saber: viscosidade e taxa de cisalhamento, podem
ser ajustados através de uma equação exponencial, listada na Tabela 16.
105
Figura 73 - Ajuste dos resultados experimentais para CEII
Figura 74 - Ajuste dos resultados experimentais para BQP
Figura 75 - Ajuste dos resultados experimentais para CAT
1
10
100
1000
0 1 2 3 4 5
η (
Pa
.s)
� (s-1)
1
10
100
1000
0 1 2 3 4 5
η(P
a.s
)
� (s-1)
1
10
100
1000
0 1 2 3 4 5
η(P
a.s
)
� (s-1)
106
Figura 76 - Ajuste dos resultados experimentais para RBT
Tabela 16 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir da relação entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento
Solo Equação R² CEII � � 1399,5���,����� 0,9855 BQP � � 1176,5���,��� 0,9848 CAT � � 1579,6���,���� 0,9996 RBT � � 874,34���,���� 0,9999
A junção de todos os resultados experimentais obtidos, apresentada na
Figura 77, permitiu a obtenção de uma curva de ajuste única, expressa através da
Equação 14, correlacionando a viscosidade, obtida a partir da realização de
ensaios no reômetro placa-placa, com a taxa de cisalhamento, determinada a partir
do ensaio de abatimento de tronco de cone desenvolvido.
� � 1312,8���,���� (14)
Através da utilização da equação supracitada, pode-se obter uma estimativa
da viscosidade do solo mediante apenas a realização do ensaio de abatimento de
tronco de cone desenvolvido no presente trabalho.
1
10
100
1000
0 1 2 3 4 5 6
η(P
a.s
)
� (s-1)
107
Figura 77 - Ajuste dos resultados experimentais para todos os solos estudados
A viscosidade também pode ser relacionada com a concentração de
sedimentos por meio de equações exponenciais, variáveis em função do solo
analisado. As Figuras 78 a 81 ilustram as relações obtidas, a serem listadas nas
equações apresentadas na Tabela 17.
Figura 78 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para CEII
1
10
100
1000
0 1 2 3 4 5 6
η (
Pa
.s)
� (s-1)
BQP CAT RBT CEII
1
10
100
1,000
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
η (
Pa
.s)
Cv
R² = 0,9813
108
Figura 79 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para BQP
Figura 80 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para CAT
Figura 81 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para RBT
1
10
100
1,000
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
η (
Pa
.s)
Cv
1
10
100
1,000
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
η (
Pa
.s)
Cv
1
10
100
1,000
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
η (
Pa
.s)
Cv
109
Tabela 17 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir da relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos
Solo Equação R² CEII � � 0,0036��, ��� 0,9946 BQP � � 0,0039��, ��� 0,9748 CAT � � 0,0008�� ,���� 0,9662 RBT � � 0,0108�� ,���� 0,975
A análise conjunta de todos os dados, apresentada na Figura 82, mostra que
não existe uma curva única capaz de ajustar todos os resultados. Entretanto, os
materiais ensaiados agruparam-se segundo duas tendências, delimitando uma
faixa de viscosidade.
Conforme observado na referida figura, O’Brien & Julien (1988)
delimitaram uma faixa de valores para as corridas de massa ocorridas nas cidades
de Aspen e Glenwood, nos Estados Unidos. De um modo geral, a análise de
ambas as faixas indica que, independente da concentração de sedimentos, os solos
analisados neste trabalho apresentam maiores viscosidades.
Figura 82 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para todos os solos ensaiados, com destaque para as faixas de valores obtidas por Galindo
(2013) e O’Brien & Julien (1988)
0.01
0.10
1.00
10.00
100.00
1,000.00
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
η (
Pa
.s)
Cv
Galindo (2013)
O’Brien & Julien (1988)
8 Conclusões e sugestões
8.1. Conclusões
Este estudo apresentou o desenvolvimento de um equipamento e de uma
metodologia alternativa a ser empregada para a determinação da viscosidade do
solo, um parâmetro reológico associado à resistência ao movimento. As principais
conclusões obtidas são apresentadas a seguir.
8.1.1. Abatimento do tronco de cone
O equipamento desenvolvido procurou: garantir a repetitividade do ensaio,
diminuir o atrito lateral entre o tronco de cone e o solo, minimizar o tempo de
resposta para a aquisição das leituras de deslocamento, estabilizar o tronco de
cone perante a ausência de um operador sobre suas aletas e diminuir o vazamento
de água pela borda inferior do aparelho.
Os referidos objetivos foram alcançados através da: utilização de uma
estrutura de sustentação associada a um sistema de cabos e roldanas; aplicação de
um revestimento antiaderente; utilização de um transdutor de deslocamento linear
acoplado a um disco de acrílico ligado a um sistema de aquisição de dados e
colocação de tarugos de latão sobre as aletas do tronco de cone.
A determinação do dispositivo de monitoramento dos deslocamentos
verticais foi o principal problema encontrado no desenvolvimento do
equipamento, pois a taxa de velocidade de execução do ensaio, aproximadamente
30 cm/s, exigia uma instrumentação dinâmica de elevada rapidez e precisão. Ao
todo foram testadas três configurações.
Embora satisfatória para a realização do procedimento experimental
proposto, a configuração utilizada impôs algumas limitações, restringindo a
umidade das amostras analisadas a uma faixa de valores compreendida entre o
intervalo definido por 1,3 e 2,0 vezes o limite de liquidez.
111
De um modo geral, o equipamento desenvolvido apresentou resultados,
relacionados à obtenção de uma taxa de cisalhamento variável em função da
umidade da amostra em análise, confiáveis devido à boa repetitividade dos
mesmos.
8.1.2. Comportamento reológico: análise da viscosidade
Os resultados obtidos a partir dos ensaios de viscosidade, realizados a uma
taxa de cisalhamento constante em reômetro placa-placa, apresentaram uma boa
concordância com os citados na literatura.
A junção de todos os resultados experimentais permitiu à obtenção de uma
curva de ajuste, correlacionando a viscosidade (outrora obtida a partir da
realização de ensaios no reômetro placa-placa) com a taxa de cisalhamento
(determinada a partir do ensaio realizado no abatimento de tronco de cone
desenvolvido). A equação relacionada a este ajuste modelou o comportamento
reológico dos solos no que tange a viscosidade.
Deste modo, esta pesquisa indicou a existência de uma correlação clara
entre o resultado do ensaio desenvolvido no equipamento de abatimento de tronco
de cone e a viscosidade. Entretanto, em face a grande variedade de solos
existentes e sua complexidade, novos ensaios devem ser realizados, no intuito de
calibrar a equação aqui proposta.
No que tange a relação existente entre a viscosidade e a concentração de
sedimentos, observou-se que não existe uma curva única capaz de ajustar todos os
resultados. Entretanto, os materiais ensaiados agruparam-se segundo duas
tendências, delimitando uma faixa de viscosidade. Também foi possível observar
que, para a faixa de valores analisada, os solos ensaiados neste trabalho são mais
viscosos que os retroanalisados no trabalho desenvolvido por O’Brien & Julien
(1988).
112
8.2. Sugestões para trabalhos futuros
• Aperfeiçoar o sistema de monitoramento dos deslocamentos verticais do
equipamento desenvolvido no presente trabalho. Sugere-se utilizar um
sensor de deslocamento a laser com um alcance de 500mm;
• Fazer ensaios com materiais que tenham limites de liquidez diferentes dos
aqui apresentados, comparando as viscosidades obtidas experimental e
analiticamente;
• Buscar correlações entre a taxa de cisalhamento e outras grandezas
relacionadas a ensaios já consolidados no âmbito da Mecânica dos Solos,
tais como palheta (vane test);
• Fazer uma modelagem numérica do ensaio para verificar a adequação do
método analítico proposto;
• Verificar a influência da granulometria do material na taxa de
cisalhamento obtida. Sugere-se repetir todos os ensaios realizados
utilizando o material total, sem passar por nenhuma peneira.
• Dar continuidade aos estudos desenvolvidos, buscando uma correlação
entre a taxa de cisalhamento e a tensão de escoamento, completando assim
a caracterização do comportamento reológico do material.
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