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Esta actividade laboratorial tem como objectivo introduzir os alunos a dois
processos de separação física – Crivagem e Ciclonagem. A crivagem é utilizada com
eficiência até calibres de 0,074 mm sendo que para calibres menores são usadas outras
técnicas e instrumentação, nomeadamente o cyclosizer. As partículas finas que são
estudadas no cyclosizer são extremamente importantes relativamente ao comportamento
da solo. A variação da percentagem de finos de um solo influencia a capacidade do solo
reter água, a susceptibilidade à erosão, movimentos de massa, teor de matéria orgânica,
etc.
Docente : Aurora Futuro Silva
Inês Cunha – [email protected]
Pedro Silva – [email protected]
MIEA102 – Grupo 2
30 de Abril de 2014
| Classificação granulométrica da fração fina de um solo utilizando o cyclosizer
Inês Cunha | Pedro Silva 1
Índice
Pág.
I - Introdução ………………………………………………………………………… 2
Classificação granulométrica do solo…………………………… 2
Cyclosizer……..………………………………………………….2
Importância das partículas finas no comportamento do solo…… 3
II – Resultados obtidos…………………….…………………………………………. 4
Cálculos e tabelas………………………………………………….4
Gráficos….…………………….…….…………………………….6
Reflexão sobre a utilização da escala linear e logarítmica…….….8
III – Classificação do tipo de solo e as suas características………….…………………9
Cálculos…………………………………………………………….9
Classificação do solo e as suas características……………..……..10
IV - Conclusão ………...………………………………………………………………11
V - Referências bibliográficas …………………………………………………………11
| Classificação granulométrica da fração fina de um solo utilizando o cyclosizer
Inês Cunha | Pedro Silva 2
Introdução
A composição granulométrica do solo permite, principalmente para solos
grosseiros, determinar as características do seu comportamento. Quando as partículas têm
calibre entre 60 - 2 mm, estas devem ser classificados como pedregulho. Quando as partículas
têm tamanhos entre 2 – 0,06 mm, 0,06 – 0,002 mm e < 0,002 mm são denominadas por areia,
silte e argila, respectivamente. (tabela 1)
Na classificação granulométrica os solos são designados pelo nome da fração
maioritária. No entanto, é necessário ser cauteloso com esta afirmação porque nem sempre
são estas que ditam o comportamento de um solo. Sendo assim, será mais correcto denominar
um solo de acordo com a fração mais activa em vez da fração predominante. A classificação
granulométrica ainda é a mais usada universalmente, principalmente para solos grossos.
Esta actividade laboratorial diferenciou-se das restantes por termos dado maior
importância ao estudo das partículas de diâmetro inferior a 0,074 mm. Separamos a parte
grosseira da nossa amostra por crivagem, sendo a fração do material que ficou no infracrivo
correspondente às partículas < 0,074 mm. Para diâmetros tão reduzidos, a eficiência da
crivagem é drasticamente reduzida e são usados outros processos, nomeadamente o
cyclosizer.
O equipamento cyclosizer é composto por cinco hidrociclones invertidos
sequenciais, com fluxo de água constante. Ao entrar no primeiro hidrociclone, as partículas
da amostra sofrem ação de uma força centrífuga. As partículas maiores são encaminhadas em
direção às paredes do hidrociclone e ficam retidas no mesmo (overflow). As partículas
menores, por sua, sentem menos essa força e entram no vórtex central do ciclone sendo
encaminhadas ao próximo hidrociclone (underflow).
Ilustração 1 – Cyclosizer e o seu respectivo diagrama de funcionamento
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60 – 2 mm Pedregulho
2,0 – 0,06 mm Areia
0,06 – 0,002 mm Silte
Menor 0,002 mm Argila Tabela 1 – classificação das partículas em função do tamanho
Apesar deste trabalho ter a particularidade de utilizarmos o cyclosizer, a
crivagem também desempenha um papel extremamente importante. Para além de
separar a parte mais grosseira da nossa amostra, conseguimos obter a percentagem de
finos de um solo através da utilização exclusiva da crivagem.
A percentagem de finos corresponde à quantidade de material que tem um
calibre inferior a 200# (0,074mm), ou seja, ao material que fica retido no infracrivo e
que corresponde à percentagem de areia e silte.
A percentagem de silte e areia são extremamente importantes porque estas
partículas estão relacionadas com a possibilidade de retenção de água do solo e,
consequentemente, com a possibilidade de ocorrerem deslocamento de massa.
Um solo pesado é um solo que têm uma percentagem de argila superior a
35%. Este tipo de solo é caracterizado pela sua alta capacidade de
retenção de água, baixa permeabilidade, resistência à erosão e
movimentos de massa reduzidos.
Um solo leve é um solo que apresenta teores de areia de
aproximadamente 70% e <15% de argila: são permeáveis, leves, de baixa
capacidade de retenção de água, baixo teor de matéria orgânica.,
altamente susceptíveis à erosão e sujeito a movimentos de massa.
Procedimento experimental – ver página 22 a 25 do manual de laboratório.
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Resultados obtidos
Diâmetro real = Diâmetro teórico * f1 * f2 * f3 * f4
Diâmetro teórico – calibre teórico para as condições padrão
f1 – factor de correcção para a temperatura
f2 – factor de correcção para a densidade
f3 – factor de correcção para o fluxo
f4 – factor de correcção par o tempo
Para as condições em que foi realizada a actividade laboratorial:
o Temperatura = 18ºC, f1 = 1,025
o Densidade = 2,65 , f2 = 0,980
o Fluxo de água = 180mm, f3 = 1,018
o Tempo de elutriação = 30 min, f4 = 0,970
Massa total da amostra do solo = 923 g
Diâmetro teórico em microns Diâmetro real em microns
44 44*1,025*0,980*1,018*0,97 = 43,64
33 33*1,025*0,980*1,018*0,97 = 32,73
23 23*1,025*0,980*1,018*0,97 = 22,81
15 15*1,025*0,980*1,018*0,97 = 14,88
11 11 11*1,025*0,980*1,018*0,97 = 10,91
Tabela 2 – Calibre real dos ciclones
Diâmetro do crivo em milímetros Peso parcial (Peso cumulativo %)
0,420 316g => 34,2%
0,297 93g => 44,3%
0,210 85g => 53,5%
0,149 90g => 63,3%
0,105 72g =>71,1%
0,074 75g => 79,2%
<0,074 (Infracrivo) 192g => 100,0 %
Tabela 3 – Pesos parciais e cumulativos obtidos na crivagem de uma amostra de 923g
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Calibre do Ciclone Pesos Parciais
43,64 2,90g
32,73 6,05g
22,81 8,55g
14,88 5,45g
10,91 3,10g
<10,91 40,10g – 26,05g = 14,05g (a)
Tabela 4 - Separação da amostra retida no infracivo num cyclosizer
Como o calibre mínimo de partículas retidas no cyclosizer é de 10,91 microns, as
partículas com diâmetro inferior são expelidas do sistema juntamente com a água.
Podemos então considerar que, caso se tratasse de uma experiência com um erro
baixíssimo e que toda a massa em falta correspondesse às partículas expelidas, a massa
dessas partículas vai ser igual à diferença entre a massa total da amostra colocada
no cyclosizer e o somatório de todos os pesos parciais. (a)
Tendo em conta que executamos processos de mistura e homogenização da amostra
retida no infracrivo de modo a obtermos uma amostra ilustrativa de aproximadamente
40 gramas, é incorrecto relacionar os dados da crivagem com os da ciclonagem sem ser
efectuado um tratamento prévio dos dados.
Após a crivagem existiam 192g de partículas com calibre inferior a 74 microns. No
entanto, como só recolhemos 40,1g da amostra, temos de multiplicar os valores
obtidos na ciclonagem por
=
g
g = 4,79. Este passo reveste-se de
extrema importância porque, caso contrário, não é possível fazer a relação
crivagem/ciclonagem.
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Tabela 5 – Pesos parciais e cumulativos relativos à crivagem e ciclonagem (os valores já aparecem multiplicados pelo factor – 4,79)
Calibre das partículas
em microns
Peso parcial (%m/m) Peso cumulativo % (Amostra retida)
420 316g => 34,2% 34,2%
297 93g => 10,1% 44,3%
210 85g => 9,2% 53,5%
149 90g => 9,8% 63,3%
105 72g =>7,8% 71,1%
74 75g => 8,1% 79,2%
43,64 13,90g => 1,5% 80,7%
32,73 29,0g => 3,3% 84,0%
22,81 41,0g => 4,4% 88,4%
14,88 26,1g => 2,8% 91,2%
10,91 14,8g => 1,6% 92,8%
<10,91 67,2g => 7,2% 100%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1 10 100 1000
% m
ate
ria
l q
ue
fic
a r
eti
do
% m
ate
ria
l q
ue
pa
ssa
Diâmetro das partículas(microns)
Curva granulométrica
Gráfico 1 – Curva granulométrica em escala logarítmica
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0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
10 100 1000
% m
ate
ria
l q
ue
pa
ssa
Diâmetro das partículas(microns)
Cumulante Inferior
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
10 100 1000
% m
ate
ria
l re
tid
o
Diâmetro das partículas(microns)
Cumulante superior
Gráfico 2 – Cumulante superior em escala logarítmica
Gráfico 3 - Cumulante inferior em escala logarítmica
D10 D60
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Devemos ser capazes de escolher a escala mais eficaz para a apresentação dos nossos
resultados. Na escala linear, duas graduações cuja diferença vale 10 estão a uma
distância constante. Na escala logarítmica, duas graduações cuja razão vale 10 estão a
distância constante.
A escala logarítmica deve ser usada quando os resultados cobrem uma elevada gama
de valores e que numa escala normal iriam ser extremamente complicados de analisar.
A escala normal deve ser usada sempre que o intervalo de valores é reduzido. Uma das
razões para escolhermos a escala logarítmica é a possibilidade de linearizar parábolas
e hipérboles.
Em suma, devemos sempre optar pela escala que torne mais clara a observação de
variações importantes na actividade.
0
50
100
150
200
250
300
350
316 93 90 85 75 72 41 29 26,1 14,8 13,9
Pe
sos
pa
rcia
is e
m g
ram
as
Diâmetro das partículas em microns
Histograma
Gráfico 4 – Histograma
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Classificação do tipo de solo e as suas características
Tendo em conta que o crivo de maior calibre corresponde ao calibre da maior
partícula na amostra e tem o valor de 0,420mm, podemos concluir que a nossa
amostra não possui pedregulhos (ver tabela 1).
Para obtermos a % de areia, temos de considerar a massa relativa à amostra
retida em todos os crivos porque não existem pedregulhos e os finos (silte e
argila) ficam retidos no infracrivo:
m (areia) = 316g + 93g + 85g + 90g+ 72g + 75g = 731g
% m/m (areia) =
x 100 =
x 100 = 79,2%
.
Para obtermos a % de silte, teremos de calcular a amostra que ficou retida nos
ciclones. Para o ensaio ser rigoroso deveríamos ter usado um ciclone de 2
microns de calibre, para termos os intervalos usados na tabela 1 bem definidos.
Como tal não ocorreu, vamos supor que a percentagem de partículas com
diâmetro < 2 microns é praticamente inexistente e que toda a massa de
calibre inferior ao último ciclone corresponde a silte. Parece-nos mais
razoável desprezarmos um intervalo de 2 microns ( entre 0 e 2 microns) do que
um intervalo de 8,91 microns ( entre o calibre do último ciclone e 2 microns).
m (silte) = 13,90g + 29,0g + 41,0g + 26,1g + 14,8g + 67,2g = 192,0g
% m/m (silte) =
x 100 =
x 100 = 20,8%
Relativamente à argila (partículas com calibre inferior a 2 microns), é
importante salientar que muito provavelmente existia argila no nosso solo, no
entanto, não temos como calcular a quantidade presente na amostra. Contudo,
analisando o diagrama triangular concluí que a falta deste valor não vai
influenciar a nossa classificação do solo.
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Através das percentagens de cada tipo de partícula presente na nossa amostra e
utilizando o diagrama triangular, concluímos que estamos na presença de um solo
franco arenoso (loamy sand).
Representação gráfica para a situação em que todo o material de calibre <10,91 microns é silte.
Representação gráfica para a situação em que todo o material de calibre <10,91 microns é argila.
Ilustração 2 - Diagrama triangular para classificação de solos
As partículas de areia são a percentagem predominante deste tipo de solo.
Quando é comprimido, as partículas agregam-se e mantêm a forma mas, através de uma força
externa mínima (por exemplo - pequenos sismos), separam-se muito facilmente. Este solo
drena a água muito facilmente por ser extremamente poroso mas não a consegue absorver,
sendo necessário uma rega frequente para permitir que as plantas cresçam. A prática da
agricultura neste tipo de solo requer que sejam adoptados processos de fertilização porque o
teor de matéria orgânica apresentado é extremamente reduzido.
Tendo em conta que este solo apresenta as características de solo leve (ver
introdução), é um solo com bastante probabilidade de ocorrência de movimentos de massa
devido à falta de agregação entre as partículas, baixíssima capacidade de retenção de água
e extrema susceptibilidade à erosão.
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Conclusão
Caso fosse necessário o cálculo da percentagem de argila presente no solo, deveríamos
usar um ciclone com um calibre de 2 microns ou outro processo que permita obter essa
informação com rigor. A inexistência desta condição faz com que não hajam valores exactos
relativos à quantidade de silte e argila mas sim um intervalo de valores. Nem sempre é
necessário termos uma experiência extremamente rigorosa mas sim uma experiência que
apresente uma melhor relação entre tempo, custo e precisão do resultado. Apesar de não
termos valores em concreto relativamente à percentagem de silte e de argila, este facto não vai
alterar em nada a classificação e as características associadas ao solo, como visto na
Ilustração 1.
Penso ser importante salientar uma pequena fuga que ocorreu durante o processo de
elutriação, o que levou à perda de alguma amostra (erro aleatório). Existem também erros
sistemáticos associados à instrumentação usada, neste caso, os erros das duas balanças por nós
usadas: uma com um erro de 1g e outra com 0,05g.
No geral, consideramos esta experiência bastante interessante e com uma importância
elevadíssima para as nossas funções como futuros Engenheiros do Ambiente porque, por
exemplo, solos permeáveis como o desta experiência são mais propícios à ocorrência de
fenómenos de lixiviação, o que pode levar à contaminação das reservas de água subterrâneas.
Um estudo prévio do tipo de solo permitir-nos-á fazer uma escolha acertada sobre o tipo de
tratamento a adoptar.
Referências bibliográficas
http://homeguides.sfgate.com/characteristics-sandy-loam-soil-
50765.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Loam
http://sepor.com/new/Cyclosizer.pdf
http://sistemasdeproducao.cnptia.embrapa.br/FontesHTML/Algodao/Alg
odaoIrrigado_2ed/solos.html
http://pt.wikipedia.org/wiki/Lixivia%C3%A7%C3%A3o
http://pt.wikipedia.org/wiki/Hidrociclone
Manual de laboratório da disciplina