ENSAIO DE PROCTOR: COMPACTAÇÃO DE SOLOS -

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A compactação de solos é um processo de redução do volume de vazios por meio da aplicação de uma força externa (manual ou mecânica), que garante maior estabilidade ao solo 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

A norma brasileira que regulamenta o procedimento de ensaio é a ABNT NBR 7182 : 2016 Solo – Ensaio de compactação.

A compactação de solos é utilizada em uma variedade de aplicações na engenharia, incluindo:

Obras de terraplenagem: A compactação é utilizada para nivelar terrenos e para formar superfícies de apoio para estruturas.
Dimensionamento de fundações: A compactação é utilizada para aumentar a resistência do solo sob as fundações de edifícios e outras estruturas.
Projeto de pavimentos: A compactação é utilizada para aumentar a resistência e a durabilidade dos pavimentos.

A partir do ensaio de compactação do solo, obtém-se a umidade ótima (para determinada energia de compactação) e massa específica aparente seca máxima do solo (para a mesma energia de compactação). Esses são os principais resultados do ensaio de compactação.

TIPOS DE CILINDROS UTILIZADOS NO ENSAIO DE COMPACTAÇÃO

Para a realização do ensaio de compactação de solos, é possível utilizar dois tipos de moldes cilíndricos:

Cilindro pequeno (Proctor): utilizado quando se deseja obter apenas a curva de compactação (Umidade ótima e Densidade seca máxima)
Cilindro grande (CBR): utilizado quando se deseja realizar o ensaio CBR – California Bearing Ratio (ISC – Índice de Suporte Califórnia) após o ensaio de compactação

ENERGIAS DE COMPACTAÇÃO

De acordo com ABNT NBR 7182 em seu ítem 4, as energias de compactação são definidas em: normal, intermediária e modificada.

Para empregar, em laboratório, as energias de compactação padronizadas pela norma, utilizam-se as especificações da tabela abaixo para cada tipo de cilindro (pequeno ou grande).

OBSERVAÇÃO: o soquete pequeno possui massa e altura de queda aproximada de 2,5 kg e 30,5 cm, respectivamente. O soquete grande possui massa e altura de queda aproximada de 4,536 kg e 45,7 cm, respectivamente.

Em campo, a energia de compactação depende dos equipamentos disponíveis e do “número de passadas” (ida e volta do equipamento de compactação), que podem ser determinados a partir dos resultados obtidos em um trecho de teste. As espessuras das camadas também vão depender dos equipamentos utilizados, em geral, ficam na ordem de 15 a 30 cm (espessura compactada).

Tratando-se de obras rodoviárias, é comum utilizar as energias de compactação da seguinte forma:

NORMAL: camadas de aterro e regularização do subleito
INTERMEDIÁRIA: camadas de sub-base
MODIFICADA: camadas de base

No entanto, para outras situações o projetista pode definir a energia de compactação utilizada de acordo com os equipamentos disponíveis, custos e necessidade da obra.

CURVA DE COMPACTAÇÃO

Para traçar a curva de compactação, recomenda-se determinar ao menos 5 pontos com umidades diferentes: 2 pontos no ramo seco, 1 ponto próximo da umidade ótima (preferencialmente no ramo seco) e 2 pontos no ramo úmido.

Ramo seco: a água adicionada lubrifica as partículas, possibilitando uma maior aproximação entre elas e uma crescente na densidade seca.
Ramo úmido: a partir de um certo ponto, a água se torna em excesso e provoca o afastamento das partículas e consequente diminuição da densidade seca.

A umidade ótima, densidade máxima e o próprio formato da curva de compactação (abaulada ou achatada) variam de acordo com o tipo de material. Em solos arenosos, por exemplo, a umidade ótima tende a ser menor se comparado aos solos argilosos (solo fino). A densidade também tende a ser maior em solos de maior granulometria (areias, cascalhos..).

Além disso, para cada energia de compactação (considerando que o material seja o mesmo) tem-se uma curva diferente: a umidade ótima decresce conforme a energia aplicada na compactação aumenta e o peso específico máximo seco do solo se eleva.

EXEMPLO DE CÁLCULO

Para demonstrar os cálculos envolvidos na determinação da densidade seca de cada ponto, necessários para traçar a curva de compactação do solo, utilizaremos o exemplo a seguir. Considerar as seguintes informações:

Cilindro utilizado: Grande
Energia de compactação: Normal
Cilindro C1:
- Volume útil: 2.095 cm³
- Peso: 5.090 g
  - Cápsula C1A: 15,10 g
  - Cápsula C1B: 28,7 g
Cilindro C2:
- Volume útil: 2.096 cm³
- Peso: 5.375 g
  - Cápsula C2A: 16,40 g
  - Cápsula C2B: 26,40 g
Cilindro C3:
- Volume útil: 2.106 cm³
- Peso: 5.140 g
  - Cápsula C3A: 20,20 g
  - Cápsula C3B: 20,60 g
Cilindro C4:
- Volume útil: 2.096 cm³
- Peso: 5.400 g
  - Cápsula C4A: 17,90 g
  - Cápsula C4B: 28,10 g
Cilindro C5:
- Volume útil: 2.096 cm³
- Peso: 5.480 g
  - Cápsula C5A: 17,20 g
  - Cápsula C5B: 14,70 g
O processo de preparação de amostras foi realizado segundo a ABNT NBR 6457 Amostras de solo – Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização pelo método da Preparação com secagem prévia até a umidade higroscópica. A amostra de solo contendo 35 kg foi dividida em 5 partes iguais (7 kg cada) para representar os 5 pontos (mínimos) necessários para traçar a curva de compactação do solo.

Utilizando a TABELA 1, sabemos que para compactar o solo com a energia Normal de Proctor utilizando o cilindro grande, são necessários 12 golpes em cada uma das 5 camadas compactadas.

O processo de compactação ocorre da seguinte forma, de acordo com a ABNT NBR 7182 : 2016 Solo – Ensaio de compactação:

1º Passo: Fixa-se o molde cilíndrico à sua base, acoplar o cilindro complementar (colarinho) e apoiar o conjunto em uma base rígida. Caso a compactação seja realizada utilizando o cilindro grande, coloca-se o disco espaçador. Uma folha de papel filtro de diâmetro igual ao molde deve ser colocada, de modo a evitar a aderência do solo com a superfície metálica da base ou do disco espaçador.
2º Passo: Em uma bandeja metálica, coloque o material gradativamente e adicione água destilada com o auxílio de uma proveta. A quantidade de água deve ser calculada (para o primeiro ponto da curva de compactação) para alcançar uma umidade de 5% abaixo da umidade ótima presumível.
3º Passo: Os golpes do soquete devem ser aplicados perpendicularmente, certificando-se de que o soquete deslize na haste em queda livre, distribuindo uniformemente sobre a superfície de cada camada. A altura das camadas compactadas deve ser aproximadamente igual. Uma pequena amostra de solo é separada em duas cápsulas, imediatamente após a compactação da segunda camada, para a determinação da real umidade do material compactado, sendo levadas à estufa a uma temperatura de 105 ºC a 110 ºC até a constância de massa (geralmente entre 16h e 24h).
4º Passo: Retirar o colarinho e realizar o arrasamento da 5ª camada até se atingir a altura do cilindro. A compactação da 5ª camada deve, obrigatoriamente, ultrapassar a altura limite entre cilindro/colarinho.

5º Passo: Após retirar o colarinho e realizar o arrasamento da 5ª camada, retira-se o conjunto “cilindo + solo” para ser pesado em balança. Observe que o “altura útil” de cada cilindro é, portanto, a altura do cilindro menos a altura do disco espaçador.

Os demais pontos são compactados seguindo o mesmo processo, variando a umidade em 2% (valor médio).

Supondo que os resultados obtidos foram:

Cilindro C1 + Solo compactado (peso): 9104 g
- Cápsula C1A + solo úmido: 101,89 g
- Cápsula C1B + solo úmido: 102,81 g
Cilindro C2 + Solo compactado (peso): 9752 g
- Cápsula C2A + solo úmido: 74,58 g
- Cápsula C2B + solo úmido: 97,01 g
Cilindro C3 + Solo compactado (peso): 9825 g
- Cápsula C3A + solo úmido: 94,14 g
- Cápsula C3B + solo úmido: 90,75 g
Cilindro C4 + Solo compactado (peso): 9879 g
- Cápsula C4A + solo úmido: 116,22 g
- Cápsula C4B + solo úmido: 105,15 g
Cilindro C5 + Solo compactado (peso): 9701 g
- Cápsula C5A + solo úmido: 103,67 g
- Cápsula C5B + solo úmido: 105,77 g

Após secagem na estufa, as cápsulas são novamente pesadas. Supondo os seguintes valores registrados:

Cápsula C1A + solo seco: 94,82 g
Cápsula C1B + solo seco: 96,62 g
Cápsula C2A + solo seco: 68,83 g
Cápsula C2B + solo seco: 90,11 g
Cápsula C3A + solo seco: 85,67 g
Cápsula C3B + solo seco: 82,62 g
Cápsula C4A + solo seco: 103,53 g
Cápsula C4B + solo seco: 94,98 g
Cápsula C5A + solo seco: 91,03 g
Cápsula C5B + solo seco: 92,54 g

Para determinar o teor de umidade, utiliza-se a equação abaixo:

$w(\%)=\frac{M_{1} - M_{2}}{M_{2} - M_{3}} \times 100= \frac{M_{A}}{M_{S}}\times 100$

Onde:

w: teor de umidade, expresso em porcentagem (%)
M₁: é a massa do solo úmido mais a massa da cápsula, expressa em gramas (g)
M₂: é a massa do solo seco mais a massa da cápsula, expressa em gramas (g)
M₃: é a massa da cápsula, expressa em gramas (g)
M_A: é a massa da água contida no solo, expressa em gramas (g)
M_s: é a massa seca do solo, expressa em gramas (g)

Calculando a umidade do primeiro ponto da curva de Proctor, temos:

Cápsula C1A: 15,10 g
Cápsula C1B: 28,7 g
Cápsula C1A + solo úmido: 101,89 g
Cápsula C1B + solo úmido: 102,81 g
Cápsula C1A + solo seco: 94,82 g
Cápsula C1B + solo seco: 96,62 g

$w(\%)=\frac{M_{1} - M_{2}}{M_{2} - M_{3}} \times 100= \frac{M_{A}}{M_{S}}\times 100$

Sendo:

w: teor de umidade, expresso em porcentagem (%)
M₁: é a massa do solo úmido mais a massa da cápsula, expressa em gramas (g)
M₂: é a massa do solo seco mais a massa da cápsula, expressa em gramas (g)
M₃: é a massa da cápsula, expressa em gramas (g)
M_A: é a massa da água contida no solo, expressa em gramas (g)
M_s: é a massa seca do solo, expressa em gramas (g)

C1A: $\rightarrow w(\%)=\frac{101,89 - 94,82}{94,82 - 15,10} \times 100= \frac{7,07}{79,72}\times 100 \cong 8,9 \%$

C1B: $\rightarrow w(\%)=\frac{102,81 - 96,62}{96,62 - 28,7} \times 100= \frac{6,19}{67,92}\times 100 \cong 9,1 \%$

O valor médio para a umidade do ponto 1 é: $w(\%) = 9,0 \%$

Para determinar a massa específica aparente do solo úmido, utiliza-se a equação abaixo:

$\rho = \frac{M_{T} - M_{C}}{V} = \frac{M_{U}}{V}$

Sendo:

⍴: é a massa específica aparente, expressa em gramas por centímetro cúbico (g/cm³)
M_T: é a massa do solo úmido mais a massa do cilindro, expressa em gramas (g)
M_c: é a massa do cilindro, expressa em gramas (g)
M_u: é a massa do solo úmido, expressa em gramas (g)
V: é o volume útil do cilindro, expresso em centímetros cúbicos (cm³)

Calculando a massa específica aparente do solo úmido do primeiro ponto da curva de Proctor, temos:

$\rho = \frac{9104 - 5090}{2095} = \frac{4014}{2095} \cong 1,916 g/cm^{3}$

Para determinar a massa específica aparente seca, utiliza-se a equação abaixo:

$\rho _{d} = \frac{\rho }{\left ( 100 + w \right )} \times 100$

Sendo:

⍴d: é a massa específica aparente seca, expressa em gramas por centímetro cúbico (g/cm³)
⍴: é a massa específica aparente, expressa em gramas por centímetro cúbico (g/cm³)
w: teor de umidade, expresso em porcentagem (%)

Calculando a massa específica aparente seca do primeiro ponto da curva de Proctor, temos:

$\rho _{d} = \frac{1,916}{\left ( 100 + 9 \right )} \times 100 \cong 1,758 g/cm^{3}$

O procedimento de cálculo é repetido para os 4 pontos seguintes.

RESULTADOS

CURVA DE COMPACTAÇÃO

Para traçar a curva de compactação, utiliza-se coordenadas cartesianas normais marcando-se em abscissas os teores de umidade (w%) e em ordenadas as massas específicas aparentes secas correspondentes (⍴_d). A curva resultante deve ter um formato aproximadamente parabólico.

MASSA ESPECÍFICA APARENTE SECA MÁXIMA

Valor correspondente à ordenada máxima da curva de compactação, expresso com aproximação de 0,001 g/cm³.

UMIDADE ÓTIMA

Valor da umidade correspondente, na curva de compactação, ao ponto de massa específica aparente seca máxima, expressa com aproximação de 0,1%.

CARACTERÍSTICAS DO ENSAIO

No documento de apresentação dos resultados, indicar o processo de preparação e a energia adotada no processo de execução.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABNT NBR 6457 Amostras de solo – Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização
ABNT NBR 7182 Solo – Ensaio de compactação

ENSAIO DE PROCTOR: COMPACTAÇÃO DE SOLOS

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TIPOS DE CILINDROS UTILIZADOS NO ENSAIO DE COMPACTAÇÃO

ENERGIAS DE COMPACTAÇÃO

CURVA DE COMPACTAÇÃO

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