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Manuella Suellen Vieira Galindo

PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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 PósGraduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.

Orientador: Prof. Tácio Mauro Pereira de Campos

Rio de Janeiro Maio de 2013

Manuella Suellen Vieira Galindo

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Desenvolvimento de uma Metodologia para Determinação da Viscosidade de Solos Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de PósGraduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUCRio. 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

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

Manuella Suellen Vieira Galindo

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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

Galindo, Manuela Suellen Vieira Ficha Catalográfica

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.

CDD: 624

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Para meus pais, Maria Suely e Valdemir, e para meu irmão, Philipe, pelo apoio e amor incondicional.

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.

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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.

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.

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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.

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

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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 placaplaca 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.

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

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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

3.2.1. Localização e amostragem

50

3.2.2. Geologia e geomorfologia

51

3.2.3. Aspectos climáticos

52

3.3. Reserva Biológica doTinguá

52

3.3.1. Localização e amostragem

52

3.3.2. Geologia e geomorfologia

54

3.3.3. Aspectos climáticos

54

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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

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

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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

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

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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

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

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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

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

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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

Figura 79 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para BQP

108

Figura 80 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para CAT

108

Figura 81 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para RBT

108

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

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

109

Lista de tabelas Tabela 1 - Equações, modelos e parâmetros reológicos para fluidos nãonewtonianos 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

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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

Tabela 12 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir 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

Tabela 16 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir da relação entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento

106

Tabela 17 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir da relação entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento

109

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

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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

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 ̂

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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

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

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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;

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). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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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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, PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

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,

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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

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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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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

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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

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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), associandose 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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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.

ߪ௫௫ ߬௫௬ ߬௫௭

̿=  = ൥߬௬௫ ߪ௬௬ ߬௬௭ ൩ ߬௭௫ ߬௭௬ ߪ௭௭

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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)

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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

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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)

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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,

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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,

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conforme sintetizado na Figura 4.

Fluidos reais

Newtonianos

Nãonewtonianos

Independentes do tempo

Dependentes do tempo

Pseudoplástico

Tixotrópico

Dilatante

Reopético

Viscoelásticos

Viscoplástico

Figura 4 - Esquema da classificação dos fluidos reais (Adaptado de Mothé, 2007)

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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).

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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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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.

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•

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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Figura 5 - Comportamento reológico dos fluidos independentes do tempo (Adaptado de Fox & McDonald, 1998) Diversas relações empíricas têm sido desenvolvidas para estabelecer um

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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 nãonewtonianos independentes do tempo (Adaptado de Machado, 2002) Modelo

Equação

Newton


  

Bingham


   


Ostwald


   

Herschell-Buckley


    


Parâmetros -viscosidade absoluta -taxa de cisalhamento -viscosidade aparente
 -tensão de escoamento -taxa de cisalhamento -índice de consistência

-índice de comportamento -taxa de cisalhamento -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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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.

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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.

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

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 coneplaca, 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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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

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

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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

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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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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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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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

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)

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Ensaio

Abatimento de tronco de cone

Penetração (Kelly ball, Vicat, ensaio de Wigmore)

Viscosímetro de tubo rotativo

Ilustração

Parâmetro

Tensão de escoamento

Tensão de escoamento

Tensão de escoamento

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Ensaio de Kslump

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Consistômetro de Vê-Be

Cone de escoamento (cone de Marsh)

Tensão de escoamento

Viscosidade plástica

Viscosidade plástica

Viscosidade Caixa L

Aparelhagem de Orimet

Two point workability test

plástica

Viscosidade plástica

Viscosidade e tensão de escoamento

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Reômetros

Viscosidade e tensão de escoamento

Ensaio de abatimento de tronco de cone modificado

Viscosidade e tensão de escoamento

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).

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

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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),

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conforme indicado nas Equações 5 e 6 e ilustrado nas Figuras 9 e 10.     భ ೡ

(5)


   మ ೡ

(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)     భ ೡ α1 (Pa.s) β1 -3 Aspen Pit 1 3,60 x 10 22,10 Aspen Pit 2 5,38 x 10-3 14,50 Aspen Natural Soil 1,36 x 10-4 28,40 Aspen Mine Fill 1,28 x 10-2 12,00 Aspen Natural Soil Source 4,95 x 10-5 27,10 Aspen Mine Source 2,01 x 10-5 33,10 Glenwood 1 2,83 x 10-3 23,00 Glenwood 2 6,48 x 10-2 6,20 Glenwood 3 6,32 x 10-4 19,90 Glenwood 4 6,02 x 10-5 33,10 Material


   మ ೡ α2 (Pa) β2 -2 1,81 x 10 25,70 2,72 x 10-1 10,40 1,52 x 10-2 18,70 4,73 x 10-3 21,10 3,83 x 10-3 19,60 2,91 x 10-2 14,30 3,45 x 10-3 20,10 7,65 x 10-3 16,90 7,07 x 10-5 29,80 1,72 x 10-4 29,50

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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)

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

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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.

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

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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

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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-biotitaplagioclásia-gnaisse com textura granulolepidoblástica referido ao Pré-Cambriano PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

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Figura 13 - Descrição morfológica do perfil do Campo Experimental II da PUCRio (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

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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 3.2.1. Localização e amostragem Intensamente estudadas devido a uma série de escorregamentos ocorridos em 1996, as bacias dos rios Quitite e Papagaio, Figura 14, englobam uma área de

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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)

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Conforme ilustrado na Figura 15, a amostragem do solo desta área seguiu a mesma metodologia anteriormente apresentada, ou seja, coletou-se material

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amolgado, extraído da superfície.

Figura 15 - Coleta do material das bacias dos rios Quitite e Papagaio 3.2.2. Geologia e geomorfologia 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

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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).

3.2.3. Aspectos climáticos

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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 3.3.1. Localização e amostragem 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.

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Figura 16 - Coleta do material do interior da Reserva Biológica do Tinguá

Figura 17 - Coleta do material do Campus Avançado da PUC em Tinguá

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3.3.2. Geologia e geomorfologia 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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

3.3.3. Aspectos climáticos 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.

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

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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.

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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

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 2,684

BQP 2,658

CAT 2,661

RBT 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

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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).

58

100

90

(%)

80

Porcentagem que passa

70

60

50

40

30

20

CEII-H

CAT-H

BQP-H

RBT-H

10

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Diâmetro dos Grãos (mm)

Figura 19 - Curvas granulométricas dos ensaios realizados com hexametafosfato de sódio como defloculante

100

90

(%)

80

Porcentagem que passa

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0 0.0001

70

60

50

40

30

20

CEII-A

BQP-A

RBT-A

CAT-A

10

0 0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Diâmetro dos Grãos (mm)

Figura 20 - Curvas granulométricas dos ensaios realizados com água como defloculante

59

Tabela 5 - Resumo da granulometria dos solos estudados com os dois defloculantes utilizados

Ensaio CEII-H CEII-A BQP-H BQP-A CAT-H CAT-A RBT-H RBT-A Os

Distribuição granulométrica (%) Areia Pedregulho Grossa Média Fina Total 5,4 14,1 17,4 11,6 43,1 5,4 14,1 16,7 16,4 47,2 4,8 28,1 15,6 6,4 50,1 4,8 28,1 15,2 9,0 52,3 2,9 24,6 14,2 7,7 46,5 2,9 24,6 27,3 29 80,9 4,8 31,3 18,2 8,3 57,8 4,8 31,3 16,4 17,8 65,5 resultados

dos

ensaios

Silte 6,9 47,3 8,1 42,8 10,1 16,0 10,8 29,7

granulométricos

Finos Argila Total 44,6 51,5 0,1 47,4 37,0 45,1 0,1 42,9 40,5 50,6 0,1 16,1 26,6 37,4 0,1 29,8

realizados

com

hexametafosfato como defloculante indicam que os solos CEII e CAT são argiloPUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

RBT

BQP

CAT

RBT

CAT

BQP

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

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.

Ia =

(7)

IP % < 2µm

Argilas com índice de atividade menor que 0,75 são consideradas inativas,

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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 CEII BQP CAT RBT

LL (%) 47,7 55,4 64,5 50,2

LP(%) 23,9 29,4 35,9 32

IP(%) 23,8 26 28,6 18,2

Ia 0,53 0,70 0,71 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).

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.

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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 CEII 32,83 42,59 0,10 0,15 1,10 7,73 0,01 BQP 35,48 45,17 0,10 0,75 0,59 4,39 0,02 CAT 40,92 33,41 0,15 0,28 1,01 6,72 0,01 RBT 37,38 37,37 0,13 1,69 0,77 5,54 0,02 *L.O.I. = Perda ao fogo

Traços L.O.I* Ca Cr Mn 15,50 Ca Cr Mn 13,50 Ca Cr Mn 17,50 Ca Cr Mn 17,10

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).

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

63

40 0 -40 -80 -120

Caulinita -160 -200 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Temperatura (°C)

Figura 22 - Análise térmica diferencial para CEII 50

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0 -50

Gibbsita

-100 -150

Caulinita

-200 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Temperatura (°C)

Figura 23 - Análise térmica diferencial para BQP 40 0 -40 -80

Gibbsita

-120

Caulinita

-160 -200 0

100

200

300

400

500

600

700

Temperatura (°C)

Figura 24 - Análise térmica diferencial para CAT

800

900

64

40 0 -40 -80

Gibbsita

-120

Caulinita -160 -200 0

100

200

300

400

500

600

700

Temperatura (°C)

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Figura 25 - Análise térmica diferencial para RBT

800

900

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

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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.

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

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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. a)

b)

Figura 27 - a) Recipiente utilizado para colocar o material a ser ensaiado; b) Haste utilizada nos ensaios (splinder 31)

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

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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

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

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material, observado quando uma geometria lisa foi utilizada (Figura 29 d). a)

b)

c)

d)

Figura 29 - Tipos de geometrias disponíveis: a) couette; b) cone-placa; c) placaplaca 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

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

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. 2000 1800 1600

Viscosidade (Pa.s)

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aplicado para rotacionar a haste, era determinada e a razão τ/γ fornecia a

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

100

200

300

400

500

Tempo (s)

Figura 31 - Grande dispersão encontrada a partir de 200s no ensaio realizado para o ponto mais seco da BQP (w= 81,50%)

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.

500

Viscosidade (Pa.s)

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Desta forma, a duração dos ensaios foi limitada a 200s.

400 300 200 100 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900 1000 1100 1200

Tempo (s)

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

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

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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.

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72

a)

b)

c)

d)

e)

f)

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

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

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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.

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, PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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):

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; PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

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.

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଴ 

 300   212 347

(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. 10ିଷ ∗ 

175

para 200mm<s<260mm

  25. 10ିଷ ∗ 

para s<200mm

(10) (11)

Onde  é a viscosidade plástica em Pa.s e T é o tempo de abatimento em s.

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.

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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.

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a)

b)

80

c)

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

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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. a)

b)

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.

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

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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

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

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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 referiase, na verdade, ao deslocamento da haste do transdutor e não à massa de solo escoada. a)

b)

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

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

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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

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. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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.

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(a)

86

(b)

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

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(a)

87

(b)

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

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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

89

3) preencher o tronco de cone com o auxílio de uma concha, Figura 53;

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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;

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; PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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).

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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

92

a)

b)

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

forma, apenas as amostras com abatimento inferior a 24cm conseguem ter seu deslocamento completamente acompanhado, Figura 59. a)

b)

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

93

da haste havia sido atingida e o solo passara a movimentar-se mais rápido que o transdutor. 25

Deslocamento (cm)

20 15 10 w1= 2,0*LL w2= 2,2*LL w3= 2,4*LL

5 0 0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

Tempo (s)

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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)

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

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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 LL= 47,7% w (%) w/LL 61,37 1,29 66,45 1,39 77,31 1,62 85,34 1,79 -

BQP LL= 55,4% w (%) w/LL 79,52 1,44 84,54 1,53 94,69 1,71 103,12 1,86 113,52 2,05

CAT LL= 64,5% w (%) w/LL 85,64 1,33 89,38 1,39 95,34 1,48 104,53 1,62 115,01 1,78

RBT LL= 50,2% w (%) w/LL 68,37 1,36 77,86 1,55 88,61 1,77 97,34 1,94 -

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95

a)

b)

c)

d)

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.

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. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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 Cv 0,36 0,34 0,32 0,30 -

CEII w (%) 61,37 66,45 77,31 85,34 -

Cv 0,31 0,30 0,28 0,26 0,23

BQP w (%) 79,52 84,54 94,69 103,12 113,52

Cv 0,29 0,28 0,27 0,25 0,24

CAT w (%) 85,64 89,38 95,34 104,53 115,01

Cv 0,35 0,33 0,30 0,28 -

RBT w (%) 68,37 77,86 88,61 97,34 -

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.

97

25

Deslocamento (cm)

20 15 10 5 w1= 61.37% w3= 77.31%

0 0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

w2= 66.45% w4= 85.34% 1.00

1.20

1.40

Tempo (s)

Figura 62 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo CEII 30 w1 = 79,52% w2=84,5% w3=94,7% w4=103,12% w5=113,92%

Deslocamento (cm)

20 15 10 5 0 0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

Tempo (s)

Figura 63 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo BQP 25 20

Deslocamento (cm)

PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

25

15 10 w1= 85,64% w2= 89.38% w3 = 95,34% w4= 104,53% w5=115,00%

5 0 0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

Tempo (s)

Figura 64 - Curvas de deslocamento com o tempo para o solo CAT

1.40

98

25

Deslocamento (cm)

20 15 10 5 w1= 68,4% w3=88,6 %

w2= 77,9% w4= 97,4%

0 0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

Tempo (s)

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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 w (%)
 (s-1) 61,37 1,8 66,45 2,3 77,31 2,9 85,34 3,7 -

BQP w (%)
 (s-1) 79,52 1,0 84,54 1,9 94,69 2,6 103,12 2,9 113,92 3,7

CAT w (%)
 (s-1) 85,64 1,0 89,38 1,4 95,34 2,1 104,53 2,7 115,01 3,2

RBT w (%)
 (s-1) 68,37 2,7 77,86 3,3 88,61 4,0 97,34 5,0 -

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.

99

120

Umidade (%)

110 100 90 80 70 60 CAT

BQP

CEII

RBT

50 0

1

2

ߛ ̇ (s-1)

3

4

5

Figura 66 - Relação entre a umidade do ensaio de abatimento de tronco de cone e a taxa de cisalhamento

Solo CAT BQP CEII RBT

Equação w = 12,931
 + 71,084 w = 13,247
 + 63,099 w = 13,076
 + 37,638 w= 12,629
 + 35,687

R² 0,9652 0,9509 0,9852 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. 0.40

0.30

Cv

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Tabela 11 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir da relação entre a umidade e a taxa de cisalhamento

0.20

0.10 RBT

CEII

BQP

CAT

0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

ߛ ̇ (s-1)

Figura 67 - Relação entre a concentração de sedimentos e a taxa de cisalhamento

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 CAT BQP CEII RBT

Equação Cv = -0,0207
 + 0,3084 Cv = -0,00291
 + 0,3463 Cv = -0,0034
 + 0,4198 Cv= -0,0316
 + 0,4307

R² 0,9652 0,9509 0,9852 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. 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.

Viscosidade (Pa.s)

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Ao todo foram realizados três testes com amostras do CEII. No entanto, os

Figura 68 - Grande dispersão para dados coletados no viscosímetro de Brookfield para taxas de cisalhamento abaixo de 10 s-1 (Kiryu, 2006)

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

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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.

-

102

500 w1 =64,82% Y1 = 1,8 s-1

Viscosidade (Pa.s)

400

w2 = 69,33% Y2 = 2,3 s-1 w3 =78,80% Y3 = 2,9 s-1

300

w4 =86,12% Y4 = 3,7 s-1

200 100 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Tempo (s)

Figura 69 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo CEII 1000 w2=86,50% Y2 = 1,4 s-1

800

Viscosidade (Pa.s)

w2=96,14% Y3 = 2,6 s-1 w4=105,82% Y4 = 2,9 s-1

600

w5=115,56% Y5 = 3,7 s-1 400 200 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Tempo (s)

Figura 70 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo BQP 1200 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

1000

Viscosidade (Pa.s)

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w1=81,50% Y1 = 1,0 s-1

800 600 400 200 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tempo (s)

Figura 71 - Gráfico da viscosidade com o tempo para o solo CAT

200

103

500 w1 = 70,66% Y1 = 2,7 s-1

Viscosidade (Pa.s)

400

w2 = 76,35% Y1 =3,3 s-1 w3 = 85,92% Y1 = 4,0 s-1

300

w4 = 95,57% Y1 = 5,0 s-1

200

100

0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Tempo (s)

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

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 η (Pa.s)
 (s-1) 224,76 1,80 129,19 2,30 58,34 2,90 31,95 3,70 -

BQP η (Pa.s)
 (s-1) 457,47 1,00 243,82 1,90 124,58 2,60 75,37 2,90 45,55 3,70

CAT η (Pa.s)
 (s-1) 574,38 1,00 393,30 1,40 188,73 2,10 108,06 2,70 62,86 3,20

RBT η (Pa.s)
 (s-1) 89,19 2,70 54,23 3,30 30,41 4,00 12,82 5,00 -

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

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 Quitite Papagaio

Modelo de Bagnold Modelo de Johnson (Pa.s) (Pa.s) 92 3440 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

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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.

105

1000

η (Pa.s)

100

10

1 0

1

2

3

4

5

ߛ ̇ (s-1)

Figura 73 - Ajuste dos resultados experimentais para CEII

η (Pa.s)

100

10

1 0

1

2

3

ߛ̇

4

5

(s-1)

Figura 74 - Ajuste dos resultados experimentais para BQP 1000

100

η (Pa.s)

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1000

10

1 0

1

2

3

4

ߛ ̇ (s-1)

Figura 75 - Ajuste dos resultados experimentais para CAT

5

106

η (Pa.s)

1000

100

10

1 0

1

2

3

4

5

6

ߛ ̇ (s-1)

Figura 76 - Ajuste dos resultados experimentais para RBT

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Tabela 16 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir da relação entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento Solo CEII BQP CAT RBT

Equação   1399,5 
,   1176,5 
,    1579,6 
,    874,34 
, 

R² 0,9855 0,9848 0,9996 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.

107

1000

R² = 0,9813

η (Pa.s)

100

10

BQP

CAT

RBT

CEII

1 0

1

2

3

ߛ̇

4

5

6

(s-1)

Figura 77 - Ajuste dos resultados experimentais para todos os solos estudados A viscosidade também pode ser relacionada com a concentração de analisado. As Figuras 78 a 81 ilustram as relações obtidas, a serem listadas nas equações apresentadas na Tabela 17.

1,000

100

η (Pa.s)

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sedimentos por meio de equações exponenciais, variáveis em função do solo

10

1 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

Cv

Figura 78 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para CEII

108

1,000

η (Pa.s)

100

10

1 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

Cv

Figura 79 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para BQP

η (Pa.s)

100

10

1 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

Cv

Figura 80 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para CAT 1,000

100

η (Pa.s)

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1,000

10

1 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

Cv

Figura 81 - Relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos para RBT

109

Tabela 17 - Equações e coeficientes de correlação das retas obtidas a partir da relação entre a viscosidade e a concentração de sedimentos Solo CEII BQP CAT RBT

Equação   0,0036  ,     0,0039   ,     0,0008   ,    0,0108   , 

R² 0,9946 0,9748 0,9662 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 analisados neste trabalho apresentam maiores viscosidades.

1,000.00

100.00

η (Pa.s)

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ambas as faixas indica que, independente da concentração de sedimentos, os solos

10.00

Galindo (2013)

1.00

O’Brien & Julien (1988)

0.10

0.01 0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

Cv

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)

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

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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.

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 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1112033/CA

(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).

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

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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.

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