DENSIDADE IN SITU: MÉTODO DO FRASCO DE AREIA

O ensaio de densidade in situ é realizado para verificar se a compactação do solo em campo foi eficaz, assegurando que a densidade de uma camada de solo compactado atingiu a densidade estabelecida previamente em testes laboratoriais, como o Ensaio de Proctor. O método mais utilizado para determinar a densidade in situ do solo é o Ensaio do Frasco de Areia

represetação do frasco de areia, utilizado no ensaio de densidade in situ — Densidade *in situ* – Frasco de Areia

A verificação da densidade in situ após a compactação do solo pode ser realizada a partir de diferentes métodos de ensaio, sendo um dos mais práticos e usuais o método descrito pela ABNT NBR 7185 Solo – Determinação da massa específica aparente, in situ, com emprego do frasco de areia e DNER-ME 092/94.

O QUE É GRAU DE COMPACTAÇÃO DO SOLO?

O grau de compactação do solo é a relação entre a densidade do solo em campo (in situ), obtida pelo método do frasco de areia, por exemplo, e a densidade do solo obtida através do ensaio de Proctor (laboratório) para uma energia de compactação definida. Podemos calcular o Grau de Compactação (GC) através da equação a seguir:

$GC = \frac{\gamma_{insitu}}{\gamma_{proctor}} \times 100 \left ( \% \right )$

Portanto, podemos dizer que o solo (em campo) atingiu um grau de compactação de 100% quando a densidade in situ é igual (ou extremamente próximo) ao valor obtido no ensaio de Proctor (laboratório) para uma energia de compactação definida.

EXEMPLO:

$GC = \frac{\gamma_{insitu}}{\gamma_{proctor}} \times 100 = \frac{1,935g/cm^{3}}{1,933g/cm^{3}} \times 100 \cong 100 \%$

De acordo com o Manual de Pavimentação do DNIT (2006), para a compactação das camadas de solo (regularização do subleito, aterros, sub-base, base…) em obras rodoviárias, não se recomenda que o grau de compactação calculado estatisticamente seja inferior a 100% do que foi especificado.

Há projetos, no entanto, que não exigem que o grau de compactação seja estritamente 100%, sendo admitido valores ligeiramente inferiores (98%, por exemplo).

Por que é importante confirmar a densidade in situ?

Relembrando a importância da Compactação de Solos, sabemos que esse processo confere ao solo maior estabilidade geotécnica a partir do(a):

Aumento da capacidade de suporte (resistência mecânica)
Menor redução volumétrica (compressibilidade) quando submetida ao carregamento externo
Redução do coeficiente de permeabilidade, uma vez que se reduz o volume de vazios

Portanto, garantir que a densidade do solo em campo (in situ) seja a mesma obtida a partir de ensaio de Proctor em laboratório, para uma energia de compactação definida, é fundamental para assegurar o atendimento às especificações de projeto sobre resistência, compressibilidade e permeabilidade.

E SE A DENSIDADE IN SITU NÃO ATINGIR A DENSIDADE DO ENSAIO DE PROCTOR?

Quando o Grau de Compactação (GC) de uma camada de solo compactada for inferior a 100%, pode-se inferir que:

A execução do serviço de compactação em campo foi ineficiente:
- Não aplicar a energia de compactação correta (que pode ser determinada em teste preliminar para definir o número de “passes” do equipamento de compactação)
- Trabalhar com a umidade do solo fora da Umidade Ótima. De acordo com o Manual de Pavimentação do DNIT, recomenda-se que a umidade em campo esteja dentro dos limites de $h_{ot} \pm 2 \%$ .
O ensaio de laboratório, com energia de compactação definida, pode não ser representativo:
- Erro na aplicação da energia de compactação durante o ensaio.
- Material ensaiado não for compatível com o material trabalhado em campo.

Quando o Grau de compactação não for atingido por ineficiência na execução do serviço de compactação em campo, realizar mais “passadas” caso a umidade do solo ainda esteja dentro da faixa de trabalho ( $h_{ot} \pm 2 \%$ ). Caso a umidade do solo esteja fora da umidade de trabalho, o material deverá ser revolvido e recompactado na umidade ótima.

OBS: Na compactação de campo, denomina-se como “passe” ou “passada” a ação do equipamento quando este realiza uma trajetória de ida e volta, abrangendo qualquer extensão na área correspondente à sua largura de compactação.

Quando o Grau de compactação não for atingido por ensaio de laboratório não representativo, refazer os ensaios de laboratório utilizando o material que de fato será trabalhado em campo utilizando a energia de compactação adequada.

E SE A DENSIDADE IN SITU FOR SUPERIOR A DENSIDADE DO ENSAIO DE PROCTOR?

A compactação do solo depende, em sua essência, da umidade de trabalho e da energia aplicada.

curvas de proctor para diferentes energias de compactação — Curva de Proctor – Energia de compactação do solo

Na prática, é usual trabalhar com a umidade do solo em campo ligeiramente abaixo da umidade ótima (evita-se o ramo úmido) , chegando na massa específica aparente seca ao se ajustar a energia de compactação aplicada.

curva de proctor: ramo seco e ramo úmido — Curva de Proctor – Ramo seco e úmido

Quando o Grau de Compactação (GC) verificado em campo é superior a 100%, pode-se inferir que:

A energia de compactação em campo superior à utilizada no ensaio de laboratório (Proctor):
- Aplicar, em campo, uma energia de compactação superior à utilizada no ensaio de laboratório (Proctor) é antieconômico. Representa, portanto, utilização maior que a necessária dos equipamentos de compactação, elevando os custos da obra.
O ensaio de laboratório, com energia de compactação definida, pode não ser representativo:
- Erro na aplicação da energia de compactação durante o ensaio.
- Material ensaiado não for compatível com o material trabalhado em campo.

Quando o Grau de compactação for superior a 100% e verificar-se que a energia de compactação em campo superior à utilizada no ensaio de laboratório (Proctor), significa que é possível reduzir o número de “passadas” do equipamento de compactação para chegar ao objetivo do GC = 100%.

ENSAIO DE DENSIDADE IN SITU PELO MÉTODO DO FRASCO DE AREIA

A seguir, serão descritas as etapas para a realização do ensaio de densidade in situ, conforme ABNT NBR 7185 Solo – Determinação da massa específica aparente, in situ, com emprego do frasco de areia.

Imagem de um laboratorista realizando o ensaio de densidade in situ — Ensaio: densidade *in situ*, método do frasco de areia

1º PASSO: após a compactação de uma camada de solo, seguindo espessura compactada definida em projeto, regularizar a superfície de modo que seja possível apoiar a bandeja com o gabarito do furo a ser realizado.

detalhe do ensaio de densidade in situ: realização do furo na camada de solo compactado — Ensaio: densidade *in situ*, método do frasco de areia

2º PASSO: após nivelar, tanto quanto possível, a bandeja com gabarito no solo, realizar o furo na camada compactada com auxílio do martelo e talhadeira. Todo o material de solo retirado com a realização do furo deve ser reservado (em bacia, como na imagem acima, ou sacos plásticos, como na imagem abaixo) e ter o seus peso total anotado como M_w (com resolução de 1g).

detalhe do furo realizado — Furo realizado com auxílio da **Talhadeira**

Limpar bem o furo realizado, de modo que não haja material solto.

detalhe do furo realizado na camada de solo. — Furo do ensaio de densidade *in situ*

O furo deve ter cerca de 15 cm de profundidade. É importante considerar a espessura da camada ao realizar o ensaio pois o furo não deve ultrapassar a camada compactada em análise.

3º PASSO: após a pesagem do material retirado do “furo de densidade in situ” (massa M_w), separar uma parcela para a determinação da umidade do solo. Pela agilidade que se necessita na determinação do Grau de Compactação do solo em campo, é usual a utilização do método “Speedy” (Para mais detalhes, ver DNER-ME 052/94).

Para a determinação da umidade com o método do “Speedy”, cerca de 6 g de solo passante na peneira Nº 4 (4,8 mm) é colocado no aparelho (Speedy) junto com uma ampola de carbureto de cálcio e duas pequenas esferas de aço. Fecha-se o aparelho, agitando-o repetidas vezes para quebrar a ampola.

A pressão indicada do manômetro deve ficar constante, indicando que toda a água existente na amostra reagiu com o carbureto. Tem-se, a partir da leitura, a umidade do solo, anotando o valor em porcentagem como w.

4º PASSO: pesar previamente o frasco de areia anotando o valor como M₁ (com resolução de 1g). A areia presente no frasco é dita como “areia calibrada” pois a sua massa específica é conhecida.

foto de um laboratorista realizando o ensaio de densidade in situ com o frasco de areia — Densidade *in situ* – Frasco de Areia

Após a pesagem inicial do frasco de areia, o mesmo deve ser posicionado sobre a bandeja. Abrir o registro do frasco de modo que a areia possa descer para o furo realizado na camada de solo compactada.

represetação do frasco de areia, mostrando a parcela de areia que fica no cone — Densidade *in situ* – Frasco de Areia

Conforme indicado na imagem anterior, parte da areia calibrada que sai do frasco de areia ficará no cone e no rebaixo da bandeja. O peso da areia que ficará no cone e rebaixo pode ser determinado previamente e será desconsiderado no cálculo da areia deslocada.

imagem demonstrando o processo de calibração do frasco de areia — Densidade *in situ* – Frasco de Areia

Para determinar previamente a massa de areia deslocada que ficará retida no cone e no rebaixo da bandeja, pesa-se o frasco de areia (anotar o peso inicial). Em seguida, o conjunto “bandeja + frasco de areia” é apoiado em uma superfície plana. Abrir o registro do cone para que a areia possa se deslocar e, ao final do processo, fechar o registro e anotar o peso final do frasco de areia. A massa que ficará no cone e no rebaixo da bandeja é calculado por:

$Mc = M_{i} - M_{f}$

Após a areia calibrada preencher toda a cavidade e o cone inferior, fechar o registro e retirar o frasco de areia.

5º PASSO: após a areia calibrada preencher toda a cavidade e o cone inferior, fechar o registro e retirar o frasco de areia, que deve ser pesado novamente e ter sua massa final registrada como M₂ (com resolução de 1g).

CÁLCULOS

1º – Peso da areia deslocada (cavidade + cone + rebaixo da bandeja):

$M_{tot} = M_{1} - M_{2}$

Sendo:
M₁: peso inicial do frasco de areia
M₂: peso final do frasco de areia (após deslocar areia para a cavidade + cone + rebaixo da bandeja)

2º – Peso da areia deslocada que preenche a cavidade no solo:

$M_{desloc} = M_{tot} - M_{c}$

Sendo:
M_tot: peso da areia deslocada (cavidade + cone + rebaixo da bandeja), calculado no ítem anterior
M_c: peso da areia deslocada para o “cone + rebaixo da bandeja” (analisada previamente)

3º – Volume da cavidade realizada no solo:

$V = \frac{M_{desloc}}{\gamma_{areia}}$

Sendo:
M_desloc: peso da areia deslocada que preenche a cavidade no solo, calculado no ítem anterior
γ_areia: massa específica da areia calibrada

4º – Massa específica do solo úmido (solo retirado da cavidade):

$\gamma_{u} = \frac{M_{w}}{V}$

Sendo:
M_w: peso do solo retirado da cavidade
V: volume da cavidade, calculado no ítem anterior

5º – Massa específica do solo seco (solo retirado da cavidade):

$\gamma_{s} = \frac{\gamma_{u}}{1 + \frac{w}{100}}$

Sendo:
γ_u: massa específica do solo úmido, calculado no ítem anterior
w: umidade do solo retirado da cavidade

6º – Grau de Compactação:

$GC = \frac{\gamma_{insitu}}{\gamma_{proctor}} \times 100 \left ( \% \right )$

Sendo:
γ_insitu: massa específica do solo seco, calculado no ítem anterior (in situ)
γ_proctor: massa específica do solo seco, obtido através do ensaio de Proctor (laboratório)

EXEMPLO

Para a compactação da camada de base em uma obra rodoviária, foi selecionado um material cujos resultados do ensaio de Proctor, realizado em laboratório utilizando a energia modificada, são:

Massa específica seca: $\gamma_{proctor}} = 2,064 g/cm^{3}$
Umidade ótima: $h_{ot}} = 12,9\%$

Após compactar o material em campo, utilizou-se o método do frasco de areia para a verificação da densidade in situ:

Massa úmida do solo retirado na realização do furo (cavidade): M_w = 4140 g
Umidade do solo retirado na realização do furo (cavidade), obtida pela utilização do Speedy: w = 12% (dentro da faixa de trabalho ( $h_{ot} \pm 2 \%$ )
Massa do frasco de areia antes da realização do ensaio: M₁ = 6000 g
Massa do frasco de areia após a realização do ensaio: M₂ = 3060 g
Massa de areia deslocada para o “cone + rebaixo da bandeja” (analisada previamente): M_c = 434 g
Massa específica da areia calibrada presente no frasco de areia: $\gamma_{areia} = 1,403 g/cm^{3}$

1º – Peso da areia deslocada (cavidade + cone + rebaixo da bandeja):

$M_{tot} = M_{1} - M_{2} = 6000 g - 3060 g = 2940 g$

2º – Peso da areia deslocada que preenche a cavidade no solo:

$M_{desloc} = M_{tot} - M_{c} = 2940 g - 434g = 2506 g$

3º – Volume da cavidade realizada no solo:

$V = \frac{M_{desloc}}{\gamma_{areia}} = \frac{2506g}{1,403 g/cm^{3}} \cong 1786,2 cm^{3}$

4º – Massa específica do solo úmido (solo retirado da cavidade):

$\gamma_{u} = \frac{4140g}{1786,2 cm^{3}} = 2,317 g/cm^{3}$

5º – Massa específica do solo seco (solo retirado da cavidade):

$\gamma_{s} = \frac{2,317 g/cm^{3}}{1 + \frac{12\%}{100}} = \frac{2,317 g/cm^{3}}{1,12} = 2,068 g/cm^{3}$

6º – Grau de Compactação:

$GC = \frac{\gamma_{insitu}}{\gamma_{proctor}} \times 100 = \frac{2,068 g/cm^{3}}{2,064 g/cm^{3}} \times 100 \cong 100,2\%$

Portanto, a compactação da camada foi executada de maneira eficaz, resultando em uma densidade do solo em campo equivalente a 100,2% da densidade obtida em laboratório.

COMPACTAÇÃO DE SOLOS (PROCTOR)