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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

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PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA


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

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Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e do orientador.


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.

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Para meus pais, Maria Suely e Valdemir, e para meu irmão, Philipe, pelo

apoio e amor incondicional.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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




3.3. Reserva Biológica doTinguá 52




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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

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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

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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

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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

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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

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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


BQP 108

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CAT 108


RBT 108


todos os solos ensaiados, com destaque para as faixas de valores obtidas por

Galindo (2013) e O’Brien & Julien (1988) 109

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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


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


da relação entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento 106


da relação entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento 109

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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

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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

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“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

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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;

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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.

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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.

DBD


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

DBD


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

DBD


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

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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)

DBD


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

DBD


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,

DBD


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

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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 &

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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).

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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.

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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.

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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.

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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

DBD


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

DBD


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).

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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.

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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

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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

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42

Reômetros


Ensaio de abatimento de tronco de cone

modificado


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).

DBD


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.

DBD


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

DBD


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)

DBD


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.

DBD


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

DBD


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.

DBD


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

DBD


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


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)

DBD


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


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

DBD


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).


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


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.

DBD


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

DBD


54


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.


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.

DBD


55

Figura 18 - Mapa geológico de Tinguá (Adaptado de De Campos, 2012)

DBD


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

DBD


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).

DBD


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

DBD


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

DBD


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).

DBD


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).

DBD


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.

DBD


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

DBD


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

DBD


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.

DBD


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)

DBD


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

DBD


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)

DBD


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)

DBD


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)

DBD


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.

DBD


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)

DBD


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.

DBD


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.

DBD


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.

DBD


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):

DBD


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.

DBD


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.

DBD


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.

DBD


80

Figura 41 - Estrutura de sustentação projetada: a) vista frontal; b) vista lateral; c) vista superior (dimensões em cm)

a) b) c)

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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)

DBD


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

DBD


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)

DBD


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

DBD


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.

DBD


86

Figura 49 - Detalhe do equipamento desenvolvido antes da realização do ensaio: a) dimensões de projeto (unidades em cm); b) configuração real

(a) (b)

DBD


87

Figura 50 - Detalhe do equipamento desenvolvido após a realização do ensaio: a) dimensões de projeto (unidades em cm); b) configuração real

(a) (b)

DBD


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

DBD


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;

DBD


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).

DBD


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

DBD


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)

DBD


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

DBD


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 - -

DBD


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)

DBD


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.

DBD


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%

DBD


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%

DBD


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

DBD


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

)

DBD


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.

DBD


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

DBD


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

DBD


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.

DBD


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)

DBD


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)

DBD


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

DBD


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

DBD


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)

DBD


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.

DBD


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).

DBD


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.

DBD


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