Estudo Comparativo de Técnicas de Medição de Sucção Total do
Solo: Papel Filtro e um Potenciômetro de Ponto de Orvalho
Melina Freitas Rocha
Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, [email protected]
Carlos Alberto Lauro Vargas
Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, [email protected]
Gilson de F. N. Gitirana Jr.
Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, [email protected]
Francielle Diemer
Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, [email protected]
RESUMO: Existem várias técnicas para a medição de sucção, de forma direta ou indireta. Este
artigo apresenta comparações entre a técnica do papel filtro e um potenciômetro de ponto de
orvalho (PPO) cujo uso é relativamente menos difundido no meio geotécnico. O papel filtro é uma
técnica que tem sido amplamente utilizada, principalmente no Brasil, para medição indireta da
sucção. Trata-se de um ensaio que requer um tempo de equilíbrio relativamente extenso, medições
meticulosas, um protocolo de execução de ensaio que siga de forma rigorosa os procedimentos
adotados quando da calibração do papel filtro, um ambiente com condições de umidade e
temperatura controlada e materiais de qualidade. O potenciômetro de ponto de orvalho permite
determinar o valor de sucção de forma rápida e prática. O instrumento é amplamente empregado na
Agronomia para determinação do ponto de murcha. É avaliada a temperatura para a qual o vapor de
água presente no ar passa ao estado líquido na forma de pequenas gotas por via da condensação e
obtida a sucção total correspondente à umidade relativa assim obtida, por meio da Lei de Kelvin. A
medição de sucções relativamente baixas exige uma avaliação com alta precisão desta temperatura
(décimos de milésimos de graus Célcius). No intuito de avaliar e quantificar as duas metodologias
utilizou-se um solo decorrente de erosão e outro solo compactado da barragem do Ribeirão João
Leite para uma análise comparativa. Como resultados, observou-se que a equação de calibração do
papel filtro obtida através do PPO teve um bom ajuste quanto aos valores de sucção determinados
pelo equipamento. Pode-se finalmente concluir que há uma grande perspectiva de utilização do
equipamento PPO para obtenção de pontos da CCSA.
PALAVRAS-CHAVE: Solos não saturados, Papel filtro, WP4C.
1
INTRODUÇÃO
A sucção do solo é uma variável fundamental
para aplicar a teoria da mecânica dos solos não
saturados na engenharia geotécnica. Da mesma
forma, a curva característica do solo (i.e.,
relação entre o teor de água e a sucção)
contribui
para
o
entendimento
do
comportamento, previsão e quantificação das
características do solo não saturado frente à
variação de umidade, como condutividade
hidráulica, resistência ao cisalhamento e o
comportamento volumétrico.
Vários estudos como: Fredlund, Fredlund,
Zakerzadeh (2001); Fredlund, Xing, Huang
(1994); Leong, Rahardjo (1997); Mualem
(1976); Van Genuchten (1980), Gitirana Jr. e
Fredlund (2004) têm mostrado a utilização da
CCSA (curva característica solo água) para
estimativa de parâmetros do solo, como por
exemplo, os métodos de previsão da função de
permeabilidade para um solo não saturado.
Procedimentos semelhantes também têm sido
tomados como forma de previsão da resistência
ao cisalhamento dos solos não saturados.
Existem várias técnicas para a determinação
dos valores de sucção de forma direta ou
indireta. O papel filtro é uma técnica que tem
sido amplamente utilizada, principalmente no
Brasil, para medição indireta da sucção. Tratase de um ensaio que requer um tempo de
equilíbrio relativamente extenso, medições
meticulosas, um protocolo de execução de
ensaio que siga de forma rigorosa os
procedimentos adotados quando da calibração
do papel filtro, um ambiente com condições de
umidade e temperatura controlada e materiais
de qualidade.
Com a utilização do equipamento WP4C
Dewpoint PotenciaMeter (medidor do ponto de
orvalho), comercializado pela Decagon Devices
Inc., torna-se possível determinar o valor de
sucção de forma rápida e prática. O
equipamento é amplamente empregado na
Agronomia para determinação do ponto de
murcha e é de interesse utilizar o mesmo na
Engenharia Geotécnica.
O objetivo principal desse artigo é analisar a
eficiência e a viabilidade do uso do
potenciômetro de ponto de orvalho (PPO) para
determinação da sucção total comparando com
a técnica do papel filtro, bem como a influência
da macro-estrutura do material nas leituras de
sucção utilizando o equipamento.
2
TÉCNICA DO PAPEL FILTRO
O método segundo Marinho (1994) baseia-se no
princípio de absorção e equilíbrio existente
quando um solo é colocado em contato com um
material poroso que possua capacidade de
absorver água, a mesma irá passar do solo para
o material poroso (papel filtro) até que o
equilíbrio seja alcançado. No papel filtro o
fluxo de água pode ocorrer de duas meneiras:
por fluxo de vapor (onde o papel não está em
contato direto com o solo) ou por fluxo capilar
(onde o papel encontra-se em contato com o
solo).
Por fluxo de vapor determina-se a sucção
total (uma vez que incorpora forças osmóticas e
capilares que retém a molécula de água), onde
as moléculas de água têm que vencilhar os
poros rompendo as forças capilares no solo e
eventualmente forças osmóticas que atuam
devido a presença de sais. O espaço de ar
deixado entre o solo e o papel filtro fornece
uma barreira para os sais, permitindo apenas o
fluxo de vapor de água (MARINHO, 1994).
Por fluxo capilar determina-se a sucção
matricial (neste caso o componente osmótico
não age como força adicional que impede o
fluxo de água), onde o fluxo ocorre de forma
continua através das partículas do solo e das
fibras do papel filtro, contabilizando a
existência de sais (MARINHO, 1994).
Um dos fatores primordiais na execução do
ensaio é a utilização da curva de calibração do
papel filtro. Borges (2010) obteve a curva de
calibração do papel Whatman n° 42 e do papel
Quanty. O autor concluiu que a precisão dos
valores de sucção está intimamente relacionado
com a equação de calibração do papel,
realizando o ensaio nas mesma condições em
que foi obtida e equação de calibração.
3
DEWPOINT
(WP4C)
POTENCIAMETER
O WP4C Dewpoint PotenciaMeter (medidor do
ponto de orvalho) é um equipamento utilizado
para medir o potencial de água, de forma rápida
e precisa. Sua técnica baseia-se no ponto de
orvalho (i.e temperatura à qual o vapor de água
presente no ar passa ao estado líquido na forma
de pequenas gotas por via da condensação),
medindo a sucção total das amostras (i.e. sucção
osmótica mais a sucção matricial). O ponto de
orvalho revela a pressão parcial de vapor de ar
em equilíbrio com a amostra em uma câmara
selada de medição.
O equipamento usa um espelho como meio
de detecção do ponto de orvalho das amostras.
A temperatura do espelho é precisamente
controlada por um refrigerador termoelétrico
(Peltier). A detecção exata em que a
condensação aparece pela primeira vez no
espelho é registrada por uma célula fotoelétrica
devido à mudança do feixe de luz na reflexão e
a temperatura do ponto de condensação é
registrada por um termoelétrico conectado ao
espelho. Para reduzir o tempo de equilíbrio o
equipamento possui uma ventoinha para
circular o ar dentro da câmara de amostras. Os
valores começam a ser exibidos no painel do
equipamento indicando que medidas iniciais
estão sendo tomadas. O WP4C sinaliza
piscando um LED verde e apitando quando os
valores finais são alcançados e no painel é
registrado o potencial de água final e a
temperatura da amostra; a Figura 1a, 1b e 1c
mostram o equipamento (ROCHA, 2013).
(c)
Figura 1 – WP4C; (a) Equipamento WP4C Dewpoint
PotencialMeter; (b) Vista interna do aparelho e da
câmara; (c) Vista interna do bloco da câmara (modificado
de DECAGON DEVICE, 2010)
3.1
Teoria do potencial de água
O potencial de água do solo (ψ) é definido
como potencial de energia por unidade de
volume de água do poro do solo. O
potenciômetro de ponto de orvalho mede a
soma do potencial osmótico e matricial,
correspondendo portanto à sucção total. O
potencial de água pode ser relacionado com a
pressão de vapor do ar do solo pela equação:
(a)
ψ=
(b)
RT
p
⋅ ln
M
p0
(1)
Onde:
p = pressão parcial de vapor do ar;
p0 = pressão de saturação (i.e., condensação),
que é função da temperatura do solo;
R = constante universal dos gases;
T = temperatura do solo;
M = é a massa molecular da água.
O potenciômetro WP4C mede o potencial
hídrico pelo equilíbrio da fase água da amostra
com o vapor presente na fase ar, em uma
câmara fechada. A amostra é colocada em uma
cápsula, que é selada contra o bloco de
sensores. Dentro do bloco, representado pela
Figura 1 (c), há uma ventoinha, responsável por
acelerar o tempo de equilíbrio; há também um
espelho, um sensor ótico de condensação (mede
a temperatura do ar) e um sensor infravermelho
termoelétrico, que mede a temperatura da
amostra.
Como aspecto fundamental do mecanismo de
medição da sucção do PPO, a partir destas
medições, a pressão de vapor do ar na câmara é
calculada como a pressão de vapor na
temperatura de condensação. Quando o
potencial de água da amostra e o do ar da
câmara estão em equilíbrio, tem-se o potencial
de água da amostra.
Além do equilíbrio entre a água na fase
líquida da amostra e da fase de vapor, o
equilíbrio interno da própria amostra é
importante. Se a amostra não estiver em
equilíbrio interno, pode-se medir uma pressão
de vapor de equilíbrio (ao longo do período de
medição) que não representa o potencial de
água real. Desta forma, adotou-se o
armazenamento da amostra da cápsula do PPO
(não necessariamente dentro do instrumento)
durante pelo menos 30 minutos, antes do início
do ciclo de medição.
ligeiramente mais quente do que o bloco da
câmara irá condensar água no interior do bloco.
Isto irá causar erros na medição, e em medições
subsequentes até a condensação desaparecer.
No PPO a função Ts – Tb, onde Ts é a
temperatura da amostra e Tb do bloco da
câmara, ajuda o operador a se assegurar de que
umidade não condensará sobre o sensor do
bloco. Portanto, se após colocar a amostra
dentro da câmara e verificar que a amostra
encontra-se em uma temperatura mais elevada,
(i.e Ts – Tb >0) recomenda-se retirar a amostra
imediatamente da câmara e deixá-la resfriar em
uma superfície fria com tampa, para não perder
umidade. Não recomenda-se utilizar a amostra
muito fria, ou o período de equilíbrio será
prolongado. O ideal é trabalhar com Ts – Tb
entre 0 e -0,5 °C.
Além da temperatura é importante ressaltar
que a contaminação do bloco de sensores do
equipamento pode ocasionar erro nas leituras.
3.2 Efeito da temperatura da amostra na
medição do potencial de água
4
A temperatura desempenha um papel
importante na determinação do potencial de
água. Da mesma forma, é importante a medida
da diferença entre a temperatura da amostra e a
do ponto de condensação. Por exemplo: se
houver uma diferença de 1 °C, um erro de 8
MPa seria o resultado. Para que medidas de
potencial de água tenha uma precisão de 0,05
MPa, a diferença de temperatura deve ser de
0,006 °C. Além do pré-requisito relecionado
com o equilíbrio térmico, surge a necessidade
de o instrumento ser capaz de realizar medições
de temperatura com precisão de décimo de
milésimo de graus Celcius.
O termômetro infravermelho do PPO mede a
diferença entre a temperatura da amostra e do
bloco da câmara. A precisão do termômetro
corresponde à essas necessidades, mas tais
medições tornam-se difícieis quando as
diferenças são grandes, já que flutuações
temporais significantes ocorrem nesta condição.
Portanto, tem-se uma melhor precisão quando a
temperatura da amostra é próxima à da câmara.
Outro efeito da temperatura ocorre com
amostras que estão próximas à saturação. Uma
amostra que está perto de 0,00 MPa e é apenas
MATERIAIS E MÉTODOS
Foram selecionados dois solos para as análises,
estudados por Rocha (2013) – Solo 1 e por
Diemer (2013) – Solo 2. O Solo 1 é é um solo
compactado com baixa compressibilidade do
platô da barragem João Leite, Goiânia - GO. O
Solo 2 é um solo oriundo de uma erosão
formada por solo argiloso fino escuro com
presença de areia fina, também de Goiânia GO.
O papel filtro utilizado nos ensaios foi o
Whatman n° 42. Os corpos de prova do Solo 1 e
do Solo 2 foram moldados diretamente de
blocos indeformados, retirados durante a
execução do platô da barragem e do talude da
erosão.Foram utilizados anéis de PVC com 5
cm de diâmetro e 2 cm de altura, com uma das
extremidades biselada.
Os valores de sucção obtidos neste artigo
foram sempre em trajetórias de secagem. Todas
as amostras foram submetidas à saturação por
ascensão
capilar,
sendo
posteriormente
submetidas
à
secagem
até
massas
correspondentes a variados teores de umidade.
A massa total pretendida foi calculada
previamente a partir dos índices físicos de cada
corpo de prova.
A disposição dos papéis podem ser
visualizadas na Figura 2. Depois de embaladas
em papel filme e papel alumínio, os corpos de
provas permaneceram armazenados por 14 dias.
Após este período de equilíbrio, os papéis foram
retirados e pesados em balança com precisão de
0,0001 g, sempre utilizando diferencial de
massa, para minimizar erros de nivelamento da
balança. Em seguida, os corpos de prova foram
utilizados para determinação da sucção
utilizando o PPO.
Papel filtro sucção total
Deformada
Indeformada
Figura 3. Tipos de amostras ensaiadas, Solo 1.
Para o cálculo da sucção utilizou-se a
equação de calibração do papel filtro Whatman
n° 42 obtida através do PPO conforme
representado pela equação 2.
Calço de PVC perfurado
Corpo de prova
Papel filtro superior - proteção
Papel filtro sucção matricial
Papel filtro inferior - proteção
Plástico filme
Papel alumínio
Figura 2. Montagem utilizada no ensaio de papel filtro.
Foram realizadas medições com o PPO
utilizando dois tipos de amostras; uma
denominada de “indeformada” (i.e foram
retiradas lascas dos corpos de prova do papel
filtro) e outra deformada (i.e solo destorroado
durante 20 segundos). A Figura 3 representa os
dois tipos de amostras estudadas. A utilização
dos dois tipos de amostras foi motivada pela
dificuldade de realização de medições com
amostras indeformadas.
sucção = e (w PF −77 ,33) / −6,58
(2)
Onde:
wPF = corresponde a umidade do papel filtro.
5
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Analisando os resultados das leituras obtidas
pelo WP4C pode-se perceber boa concordância
entre os dois tipos de amostras. As Figuras 4 e 5
mostram que os valores de sucção de amostras
deformadas e indeformadas são congruentes.
Tem-se, desta forma, a indicação de que a
estrutura do solo associada com a água nela
armazenada para as sucções medidas foi
preservada ou que o papel da estrutura não foi
relevante. Podendo afirmar que em termos de
sucção total a macro-estrutura da amostra não
teve muita influência quando utilizado o PPO.
PPO indeformada
PPO deformada
Figura 4. Dados obtidos pelo PPO, Solo 1.
Na Figura 5 pode-se observar claramente a
congruência entre os resultados com as duas
amostras, ficando bem próximo à linha de
proporcionalidade.
Sucção PPO indeformada
(kPa)
1.E+06
1.E+05
1.E+04
Teor de umidade, %
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
Sucção Total (kPa)
PPO indeforma da PPO deformada Pa pel Filtro Eqç. WP4C
Figura 6. Comparativo entre a técnica do papel filtro e o
PPO, Solo 1.
30
25
Teor de umidade, %
Teor de umidade, %
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
Sucção Total (kPa)
20
15
10
5
0
1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
Sucção Total (kPa)
PPO deformada
Papel filtro Eqç. PPO
1.E+03
1.E+02
Figura 7. Comparativo entre a técnica do papel filtro e o
PPO, Solo 2.
1.E+01
1.E+00
1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
Sucção PPO deformada (kPa)
Figura 5. Comparativo entre os tipos de amostras, Solo 1.
Comparando a técnica do papel filtro com o
PPO observa-se uma boa concordância nos
resultados, deixando esperançoso o uso do
equipamento para obtenção dos valores de
sucção total conforme representado na Figura 6
e 7.
Analisando a Figura 8 e 9 percebe-se que os
valores de sucção utilizando a técnica do papel
filtro com os valores do WP4C apresentam uma
boa congruência. Os valores do papel filtro
deram um pouco abaixo que o do equipamento
em alguns pontos, uma das justificativas pode
ser a perda de umidade durante a retirada do
papel da amostra e sua pesagem, obtendo-se
valores inferiores de sucção ou até mesmo o
tempo insuficiente de equilíbrio da técnica do
papel filtro quanto aos valores de sucção total.
O uso do PPO mostra-se bastante apto para
obtenção de alguns pontos da CCSA,
necessitando de mais pesquisa, para certificar a
precisão em algumas faixas de sucção, como
abaixo de 100 kPa.
1.E+06
Sucção PPO (kPa)
1.E+05
1.E+04
1.E+03
1.E+02
1.E+01
1.E+00
1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
Sucçã o Total pa pel filtro (kPa )
PPO deformada
PPO indeformada
Figura 8. Comparativo sucção PPO x papel filtro,
Solo 1.
1.E+06
Os valores de sucção determinados segundo
a técnica do papel filtro utilizando a equação de
calibração do papel filtro obtida através do
PPO, mostrou-se de excelência concordânica
com os valores de sucção quando comparados
aos valores diretamente pelo equipamento.
Devendo-se atentar ao tempo de pesagem do
papel filtro e ao tempo de equilíbrio das
amostras, quanto à sucção total.
Na tentativa de analisar a influência da
estrutura na utilização do PPO observou-se que
amostras com a mesma estrutura utilizada no
papel filtro (i.e., indeformada) e amostras
deformadas apresentaram valores semelhantes
de sucção total, não sendo detectado a
influência da macro-estrutura dos valores de
sucção.
Sucção PPO (kPa)
1.E+05
1.E+04
AGRADECIMENTOS
1.E+03
Agradeço a CAPES, aos meus professores pelo
apoio e a Universidade Federal de Goiás pela
concretização desse trabalho.
1.E+02
1.E+01
1.E+00
1.E+00
1.E+02
1.E+04
1.E+06
Sucção Total papel filtro (kPa)
Figura 9. Comparativo sucção PPO x papel filtro,
Solo 2.
6
CONCLUSÕES
Ressalta-se que o uso do PPO tem um limite de
sucção, seu alcance vai de 0 à 300000 kPa, de 0
a 100 kPa tem-se leituras com baixa precisão
sendo recomendável usá-lo apenas acima de
100 kPa para obtenção da sucção total. Portanto
para uma obtenção perfeita da CCSA pode-se
utilizar o equipamento como forma de
complementação a outras metodologias.
A utilização do PPO para obtenção da sucção
total dentro da faixa limítrofe do equipamento
mostrou-se de excelente concordância com o
papel filtro, trazendo uma boa perspectiva do
uso do mesmo para obtenção de uma parte da
CCSA dentro da engenharia geotécnica,
trazendo maior rapidez e praticidade para
obtenção dos valores de sucção.
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