Comunicado111
Técnico
Prensa manual adaptada para ensaio de compressibilidade.
Edson Patto Pacheco
ISSN 1678-1937
Dezembro, 2010
Aracaju, SE
O termo compactação refere-se à compressão do solo não
saturado que resulta no aumento da sua densidade, em
consequência da redução do volume devido à expulsão
de ar dos seus poros (GUPTA et al. 1989). A facilidade
com que o solo não saturado decresce de volume,
quando submetido a pressões externas, é chamada de
compressibilidade (GUPTA; ALLMARAS 1987), que
depende de fatores internos e externos (LEBERT; HORN,
1991). Os fatores externos são caracterizados pelo tipo,
intensidade e frequência da carga aplicada. Os internos
correspondem ao histórico de tensão, umidade do solo,
textura do solo, estrutura do solo, densidade inicial
do solo e teor de carbono do solo. Dentro da mesma
condição, é a umidade que governa a quantidade de
deformação que poderá ocorrer quando uma pressão é
aplicada ao solo (ETANA et al., 1997, BRAIDA et al.,
2006).
O comportamento compressivo de um solo, representado
principalmente pela pressão de pré-compactação (σp),
expressa o histórico de pressão que o solo já sofreu
no passado, e também pode representar a capacidade
de suporte de carga, ou seja, a pressão máxima que o
solo suporta antes que ocorra compactação adicional
(DIAS JUNIOR, 2000). Portanto, esse atributo pode ser
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Uso de prensa manual como alternativa
para determinação da compressibilidade
de solos agrícolas
Edson Patto Pacheco1
utilizado para diagnosticar práticas culturais mecanizadas
que historicamente vêm causando degradação física dos
solos, bem como, servir aos processos de agricultura
de precisão que visem o planejamento das operações
motomecanizadas, a fim de reduzir o impacto das
mesmas sobre a qualidade dos solos agrícolas. O objetivo
deste trabalho foi descrever a utilização de uma prensa
manual, como alternativa para determinação da pressão
de pré-compactação, índice de compressibilidade e índice
de recompressão de solos agrícolas.
Ensaios de compressibilidade e précompactação (σp)
A compressibilidade do solo pode ser determinada
por meio do ensaio de compressão uniaxial, também
conhecido por ensaio de adensamento unidimensional
(ABNT, 1990). O ensaio de compressão uniaxial
basicamente consiste em aplicar sucessiva e
continuamente pressões crescentes e preestabelecidas
(12,5; 25; 50; 100; 200; 400; 800 e 1600 kPa) a uma
amostra de solo na condição parcialmente saturada (DIAS
JUNIOR, 2000; ABNT, 1990). Este ensaio permite obter a
curva de compressão do solo, que é representada por um
gráfico no qual são plotados, no eixo das abscissas, os
Engenheiro-agrônomo, D.Sc. em Agronomia, pesquisador da Embrapa Tabuleiros Costeiros, Aracaju, SE, [email protected].
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Uso de prensa manual como alternativa para determinação da compressibilidade de solos agrícolas
valores das pressões aplicadas (σ) em escala logarítmica
e, no eixo das ordenadas, os valores do índice de vazios
(σ) em escala natural (Figura 1). A partir desta curva é
possível determinar a pressão de pré-compactação (σp),
o índice de compressão (IC) e o índice de recompressão
(CR). O IC é a relação entre a variação do índice de vazios
e a variação do log da σ, em qualquer parte da linha
de compressão virgem, representando sua inclinação:
IC = -(E2 - E1)/log(σ2/σ1), em que σ2 e σ1 correspondem
a um intervalo de pressões aplicada em qualquer parte
do seguimento da reta virgem. O CR é a razão entre a
variação do índice de vazios da linha de compressão
secundária e o log da σp, representando a inclinação da
linha de compressão secundária: CR = -(Eσp - Ei)/ log(σp)
(REINERT et al., 2003).
O método de Pacheco e Silva consiste nos seguintes
passos: traçar uma reta horizontal, passando pela
ordenada correspondente ao índice de vazio inicial (Ei)
(Figura 2).
Pelo ponto de interseção com o prolongamento da
reta virgem, traçar uma reta vertical até a curva de
compressão. Por esse ponto, traçar uma reta horizontal
até o segundo ponto de interseção com o prolongamento
da reta virgem. A abscissa desse ponto define a pressão
de pré-adensamento ou pressão de pré-compactação
(Figura 2).
Figura 1. Curva de compressão do solo (IMHOFF et al., 2001).
A pressão de pré-compactação divide a curva de
compressão do solo em duas regiões: região de
deformações pequenas, elásticas e recuperáveis (curva
de compressão secundária) e região de deformações
plásticas e não recuperáveis (reta de compressão virgem),
conforme ilustração na Figura 1. Em solos agrícolas,
devem ser evitadas pressões maiores do que a maior
pressão aplicada anteriormente, para que não ocorram
compactações adicionais (GUPTA et al., 1989; LEBERT;
HORN, 1991).
A σp pode ser obtida a partir da curva de compressão
pelo método de Casagrande ou pelo método de Pacheco
e Silva (ABNT, 1990). O método de Casagrande consiste
em determinar o ponto de mínimo raio de curvatura
(obtido pelo método de quadrados mínimos), e por ele
traçar uma paralela ao eixo das abscissas (nº 2 da Figura
1) e uma tangente à curva de compressão (nº 1 da Figura
1). Posteriormente, deve-se traçar a bissetriz (nº 3 da
Figura 1) do ângulo formado por essas duas retas. A
abscissa determinada pela reta vertical (nº 5 da Figura
1) que vai do ponto de interseção da bissetriz com o
prolongamento da linha de compressão virgem (nº 4 da
Figura 1), corresponde a pressão de pré-compactação
(σ= σp) (Figura 1).
Figura 2. Determinação da σp pelo método de Pacheco e Silva
(ABNT, 1990).
Reinert et al. (2003) desenvolveram o software
COMPRESS e propuseram modelo para descrever a
compressibilidade dos solos e seus parâmetros, com
o objetivo de usar dados laboratoriais de ensaios de
compressibilidade para calcular as relações básicas no
início e final dos testes; ajustar a equação ε = εi / (1+ασn
)m aos dados para plotar a curva de compressão na tela
do computador; calcular a pressão pré-compactação, o
índice de compressão e recompressão pelo método de
Casagrande ou pelo método de Pacheco e Silva (ABNT,
1990), bem como, criar banco de dados com todos
os dados e valores calculados. Segundo os autores, o
software de domínio público foi criado com objetivo
didático, mas pode ser usado em rotinas de laboratórios.
Prensa manual – equipamento alternativo
De acordo com a norma MB-3336 da ABNT (1990),
os ensaios de consolidação devem ser realizados em
amostras saturadas, com tempo de longa duração
(até 24 h por carga aplicada). Para isso são utilizados
consolidômetros com contra pesos ou pneumáticos, que
representam grandes custos para aquisição e instalação
Uso de prensa manual como alternativa para determinação da compressibilidade de solos agrícolas
em laboratórios de mecânica do solo. No entanto, para
se determinar a compressibilidade em solos agrícolas
os ensaios podem ser adaptados, aplicando-se pressões
com tempo curto de duração para os carregamentos
em amostras de solo não saturadas, considerando
que, as pressões exercidas pelas máquinas agrícolas
são aplicadas ao solo em horizontes superficiais ou
subsuperficiais, normalmente não saturado, e de forma
instantânea e intermitente (PACHECO, 2010). Por se
tratar de um equipamento com preço bem inferior aos
dos equipamentos citados anteriormente, a prensa de
acionamento manual pode ser adaptada para atender às
necessidades de ensaios de compressibilidade com razão
de carga igual a dois (12,5; 25; 50; 100; 200; 400; 800
e 1600 kPa) e os estágios de carregamentos de 30 s.
Dessa forma, cada ensaio necessita no máximo de 10
minutos para ser realizado, viabilizando a execução
de experimentos que apresentem necessidade de
grandes quantidades de determinações, devido às várias
combinações de tratamentos e repetições.
Descrição e operação da prensa manual
O sistema de transmissão é acionado por manivela
que pode ser posicionada de duas formas: uma para
aproximação rápida, utilizada para posicionamento
e retirada da amostra no início e final do ensaio,
respectivamente, e outra de aproximação lenta,
necessária para aplicação das forças crescentes sobre a
amostra durante o ensaio (Figura3).
Pistão e micrômetro medidor de deformação
Quando a amostra é elevada pelo prato, a mesma é
prensada contra um pistão metálico com diâmetro (51,5
mm) ligeiramente inferior ao diâmetro interno (52,0 mm)
do anel volumétrico (Figura 4). A deformação vertical
sofrida pela amostra, relativa a cada pressão aplicada,
é medida por meio de um micrômetro com precisão
de 0,01mm (Figura 4). Quando realizados ensaios em
amostras contendo umidade próxima da saturação,
placas porosas devem ser posicionadas acima e abaixo da
amostra (Figura 4), para facilitar a drenagem do excesso
de água durante o procedimento. Como os ensaios são
realizados com tempo curto de duração, normalmente,
não se observa drenagem para amostras com umidades
inferiores daquelas estabilizadas a -6 kPa em mesa de
tensão.
O princípio de funcionamento do equipamento é o
deslocamento vertical de uma amostra de solo contra um
pistão que comprime a mesma à medida que pressões
crescentes são aplicadas. Para isso, o equipamento é
composto pelos seguintes órgãos:
Mecanismo de aproximação da amostra (deslocamento vertical)
O equipamento possui sistema de transmissão por
engrenagens banhadas a óleo que movimenta um cilindro
responsável pelo deslocamento vertical de um prato
metálico, sobre o qual fica posicionada uma amostra de
solo indeformada contida em um anel volumétrico de PVC
(Figura 3).
Figura 4. Pistão e micrômetro medidor da deformação.
Controle das pressões aplicadas durante o ensaio
Figura 3. Mecanismo para deslocamento vertical da amostra.
As cargas crescentes aplicadas são controladas por
meio de um anel dinamométrico (Figura 5) com carga
nominal de 500 kgf. Suas deformações são medidas
por um micrômetro (Figura 5) e convertidas em força
(kgf), conforme calibração fornecida pelo fabricante
do equipamento. Foram pré estabelecidas leituras para
obtenção das pressões de 12,5; 25; 50; 100; 200; 400;
800 e 1600 kPa, conforme apresentado na Tabela 1,
considerando área do pistão igual a 20,83 cm2, constante
do anel dinamométrico igual a 205,68 kgf mm-1 e precisão
do micrômetro do anel dinamométrico igual a 0,01 mm.
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Uso de prensa manual como alternativa para determinação da compressibilidade de solos agrícolas
Tabela 1. Leituras do micrômetro do anel dinamométrico correspondentes para pressões crescentes do ensaio de compressibilidade
utilizando prensa manual contendo pistão com área de 20,83 cm2, anel dinamométrico com constante de 205,68 kgf mm-1 e micrômetro
do anel dinamométrico com precisão de 0,01 mm.
Figura 6. Pressão de pré-compactação (σp) em função da
umidade, na profundidade de 0 a 0,20 m de um Argissolo
Figura 5. Sistema de controle das cargas crescentes.
Amarelo sob dois tipos de uso.
Exemplo de resultado obtido com a prensa manual
Após a realização de ensaios de compressibilidade,
utilizando amostras de solo que apresentavam diferentes
umidades, e calculada a pressão de pré-compactação
(σp) por meio do o programa COMPRESS (REINERT et
al., 2003), foram obtidos gráficos de σp em função da
umidade gravimétrica (Ug) do solo, conforme modelo
exponencial σp = 10(a+b.Ug) proposto por Dias Junior
(2000), sendo que, “a” e “b” são os coeficientes de
ajuste obtidos por análise regressão.
Nas Figuras 6 e 7 estão representadas curvas de pressão
de pré-compactação em função da umidade gravimétrica,
para três profundidades de um Argissolo Amarelo sob
mata nativa e cultivado com cana-de-açúcar por 30 anos.
Figura 7. Pressão de pré-compactação (σp) em função da
umidade, na profundidade de 0,20 a 0,40 m de um Argissolo
Amarelo sob dois tipos de uso.
Uso de prensa manual como alternativa para determinação da compressibilidade de solos agrícolas
Por ser dependente da quantidade de água, a σp varia em
função da umidade do solo (Figuras 6 e 7). Quanto mais
baixo os teores de água, mais resistente fica a matriz
do solo, conferindo maior resistência às deformações
provocadas por pressões externas. A pressão de précompactação torna-se maior à medida que o solo fica
mais seco. Isso acontece porque a água atua de duas
formas sobre a resistência do solo ao cisalhamento: a)
diminui a coesão entre as partículas sólidas e b) forma
filmes sobre as partículas sólidas, reduzindo o atrito entre
as mesmas. O resultado é um decréscimo exponencial da
pressão de pré-compactação com o aumento da umidade
(HILLEL,1980).
A pressão de pré-compactação corresponde à capacidade
de suporte de carga de solos parcialmente saturados, o
que torna importante o entendimento do comportamento
da curva de compressão em diferentes sistemas de
manejo, pois ela permite avaliar a susceptibilidade do
solo à deformação e, consequentemente, à compactação
(KONDO; DIAS JUNIOR, 1999).
TORMENA. C. A. Quantificação de pressões críticas para
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Compress – software e proposta de modelo para
Referências
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BRAIDA, J. A.; REICHERT, J. M; VEIGA, M. da et al.
Resíduos vegetais na superfície e carbono orgânico do
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IMHOFF, S.; SILVA, A. P.; DIAS JUNIOR, M. S.;
Preto: Sociedade Brasileira de Ciência do Solo, 2003. 1
CD-ROM.
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Comunicado
Técnico, 111
Ministério da
Agricultura, Pecuária
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Disponível em http://www.cpatc.embrapa.br
1a edição (2010)
Comitê de
publicações
Expediente
Presidente: Ronaldo Souza Resende.
Secretária-executiva: Raquel Fernandes de Araújo Rodrigues
Membros: Edson Patto Pacheco, Élio César Guzzo,
Hymerson Costa Azevedo, Ivênio Rubens de Oliveira,
Joézio Luis dos Anjos, Josué Francisco da Silva Junior,
Luciana Marques de Carvalho, Semíramis Rabelo Ramalho
Ramos e Viviane Talamini.
Supervisora editorial: Raquel Fernandes de Araújo Rodrigues
Tratamento das ilustrações: Bryene Santana de Souza Lima
Editoração eletrônica: Bryene Santana de Souza Lima