Compactação

3. COMPACTAÇÃO
O estudo da técnica e controle da compactação é relativamente recente e tem sido
desenvolvido principalmente para a construção de aterros.
A compactação é um processo no qual se visa melhorar as propriedades do solo
garantindo certa homogeneidade, procedendo-se a eliminação do ar.
3. 1 – Introdução:
Porter desenvolveu a teoria de compactação para verificar a influência do teor de
umidade na qualidade final de um solo compactado.
Ralph Proctor, em 1933, publicou uma série de artigos, divulgando o seu método de
controle de compactação, baseado num novo método de projeto e construção de
barragens de terra compactadas que estava sendo empregado na Califórnia; onde é
apresentado que a densidade com que um solo é compactado, sob uma determinada
energia de compactação, dependo do teor de umidade no momento de compactação.
3. 2 – Ensaios de Compactação
3. 2.1 – Introdução Teórica
Proctor desenvolveu um ensaio dinâmico para determinação experimental da curva de
compactação (massa específica aparente seca (γs) versus teor de umidade (h)) (figura
3.1).
γs (g/cm³)
γs máx
ramo
seco
ramo
úmido
hot
h (%)
Figura 3.1 – Curva de compactação
Na figura 3.1, no ponto de inflexão da curva determinamos o teor de umidade ótimo
(hot) que representa que se um solo for compactado com a energia do ensaio, nesse
teor de umidade ele apresentará a massa específica aparente seca máxima.
O ramo ascendente da curva de compactação é denominado ramo seco e o ramo
descendente, de ramo úmido. No ramo ascendente, a água lubrifica as partículas e
facilita o arranjo destas, ocorrendo por essa razão, o acréscimo da massa específica
aparente seca. Já no ramo descendente, a água amortiza a compactação e começa a
ter mais água do que sólidos, sendo por essa razão que a massa específica aparente
seca decresce.
Rita Moura Fortes
1/1
Para uma mesma energia, solos de granulometria diferente apresentam valores de
teor de umidade ótimos e massa específica aparente seca máxima na ordem de
grandeza da tabela 3.1, resultando em curva de compactação conforme estão
dispostas na figura 3.2.
Tabela 3.1. – valores médios de teor de umidade ótimo e da massa específica aparente
seca máxima dos solos, conforme sua granulometria.
Granulometria
hot (%)
γsmax. (kg/ m³) médios
Areias
7 a 12
2000
Siltes
18 a 25
1600
Argilas
30 a 40
1300
γs(g/cm³)
areia
silte
argila
h
Figura 3.2 – curvas de compactação de solos compactados com a mesma energia.
Já de acordo com a energia aplicada as curvas de compactação de um solo se dispõe
segundo a figura 3.3.
γs(g/cm³)
E
h (%)
Figura 3.3 – Curvas de compactação de um mesmo solo compactado com energias
diferentes.
Rita Moura Fortes
2/2
O ensaio de Proctor é normalizado pelo método de ensaio NBR 7182, sendo que as
energias especificadas na norma são: normal, intermediária e modificada, variando–
se para isso as dimensões do molde e soquete, número de camadas e golpes,
conforme pode ser observado na tabela 3.2.
Na figura 3.4 pode-se verificar a preparação da amostra para o ensaio de
compactação. Inicialmente a amostra é seca ao ar sobre uma lona, após, detorroa-se
com auxilio da mão de gral e borracha, depois armazena-se em caixas. Prepara-se 5
pontos com teores de umidade diferentes, adicionando-se água a amostra com
umidade higroscópica para se obter o ponto com um determinado teor de umidade,
mistura-se a amostra homogeneizando-a.
Tabela 3.2 – Características inerentes a cada energia (compilado da NBR 7182).
Cilindro
Pequeno
grande
Característica inerentes a
cada energia de
compactação
Soquete
Número de camadas
Número de golpes por camada
Soquete
Número de camadas
Número de golpes por camada
Altura do disco espaçador (mm)
Normal
Energia
Intermediária
Modificada
Pequeno
3
26
grande
5
12
63,5
Grande
3
21
grande
5
26
63,5
Grande
5
27
grande
5
55
63,5
O ensaio pode ser realizado de cinco maneiras: com ou sem reuso de material, sobre
amostras preparadas com secagem prévia até a umidade higroscópica ou sobre
amostras preparadas a 5 % abaixo da umidade ótima presumível ou sem reuso de
material, sobre amostras preparadas a 3 % acima da umidade ótima presumível.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Figura 3.4 Amostra deformada secando ao ar livre (a); seca (umidade higroscópica) (b);
colocação em caixas (c); preparação da amostra com diferentes teores de umidade (5
teores) e (d) homogeneização (e).
Após a amostra ter sido homogeneizada, é realizada a compactação, utilizando-se o
molde pequeno ou o grande (vide figura 3.5) quando se compactar o solo para a
realização do ensaio CBR.
Rita Moura Fortes
3/3
(a)
(b)
Figura 3.5 – Compactação Proctor (a) cilindro pequeno e soquete pequeno (b) cilindro
grande e soquete grande.
O molde é fixado na base, com o colarinho, coloca-se o disco espaçador e o papel filtro
(figura 3.6 (a) no caso da compactação do cilindro grande para o ensaio de índice de
suporte Califórnia ou somente o papel filtro no caso de cilindro pequeno. Lança-se a
quantidade de solo em camadas (vide esquema da figura 3.6 (b), conforme energia
especificada (energia, normal intermediária ou modificada), tomando-se o cuidado de
escarificar a face superior da camada compactada, antes de lançar a próxima, para
promover a aderência entre ambas. Na figura 3.6 (c) está apresentada a compactação
utilizando-se o cilindro grande. Após a compactação retira-se a base, o colarinho e o
disco espaçador (no caso do cilindro grande), rasa-se o corpo de prova que devido a
utilização do colarinho apresenta cerca de 2 cm ultrapassando a altura do molde. Levase o conjunto solo mais molde para ser pesado (figura 3.6 (d) e caso seja somente
realizado o ensaio de compactação, retira-se o corpo de prova do molde (figura 3.6 (e)
e (f)) para tomar-se uma amostra para determinação do teor de umidade.
Soquete pequeno
Soquete grande
Molde pequeno
Molde grande
3 a 5 camadas de solo
Cinco camadas de solo
disco espaçador
(a)
(a)
(d)
(c)
(b)
(e)
(f)
Figura 3.6 – (a) Colocação de papel filtro no molde; (b) esquema de compactação
(soquete leve e soquete pesado); (c) compactação cilindro grande; (d) pesagem do
corpo de prova após a compactação; (e) e (f) extração do corpo de prova.
Rita Moura Fortes
4/4
Com os resultados obtidos no ensaio de compactação são efetuados cálculos para
a:
a) determinação da massa específica aparente seca (γs), dada pela fórmula:
Mh x 100
γs = -----------------------------V x (100 + h)
(1)
Onde:
γs = massa específica aparente seca, geralmente em g/cm³ ;
Mh = massa úmida do solo compactado, geralmente em g ;
V = volume útil do molde cilíndrico (interno), geralmente em cm³ ;
h = teor de umidade do solo compactado, em % .
b) determinação da curva de saturação, dada pela fórmula:
S
γs = -------------------------------h
S
( ------ + ------- )
γa
δ
Onde:
γs
= massa específica aparente seca, geralmente em g/cm³;
S
= grau de saturação, considerado igual a 100% ;
h
= teor de umidade em % ;
γa
= massa específica da água, geralmente em g / cm ³ ( considerada igual a 1,00
g/cm³ ) ;
δ = massa específica dos grãos do solo (determinado de acordo com a NBR 6508 ou
6458, em g/cm³) ;
Rita Moura Fortes
5/5
São apresentados os seguintes resultados:
a) curva de compactação : é a curva resultante da representação gráfica dos
valores do teor de umidade em abcissas, versus os respectivos valores da
massa específica aparente seca, e deve possuir o formato aproximadamente
parabólico;
b) valor da massa específica aparente seca máxima, com aproximação de 0,01 g/
cm³, obtido através da leitura da massa específica aparente seca do ponto de
inflexão da curva de compactação;
c) valor do teor de umidade ótimo, obtido pela leitura do teor de umidade
correspondente ao de massa específica aparente seca máxima, obtido na alínea
b), na curva de compactação, com aproximação de 0,1 % ;
d) curva de saturação ( S = 100% ) ;
e) características do ensaio: processo de preparação da amostra, energia; cilindro
de compactação utilizados e processo de execução do ensaio.
3.2.2 – Moisture Condition Value ( MCV )
O MCV é um ensaio de compactação por impacto, apresentado por Parsons (1976) do
Transport and Road Research Laboratory – Departament of Enviroment do Governo
Britânico, que foi desenvolvido originalmente para:
a) Avaliar rapidamente as condições de umidade dos solos nas camadas compactadas.
b) O teor de umidade mais adequado para compactação do aterro.
c) Avaliação das condições mais propícias para maior eficiência dos equipamentos de
terraplenagem.
Com as seguintes vantagens sobre o método proposto por Proctor:
a) a energia é aplicada com soquete de seção plena, sendo portanto distribuída por
igual em toda a superfície a ser compactada.
b) têm-se uma família de curvas de compactação (teor de umidade versus massa
específica aparente seca ), referente aos diversos valores de energia.
O ensaio MCV consiste basicamente em determinar o número de golpes necessários
para compactação completa de uma amostra de solo. Como aqui entre nós, tem sido
utilizado o ensaio mini MCV, desenvolvido por Nogami e Villibor, e que apresenta uma
classificação para solos tropicais.
3.3. Tipos de compactação
3.3.1 pisoteamento
3.3.1.1 no campo : é uma compactação realizada com rolo pé–de– carneiro,
cuja massa com tambores vazios é de 5 a 12 tf, podendo ser enchido com lastro de
areia úmida, aumentando a sua massa para de 7 a 17 tf. Cada tambor possui de 96 a
120 patas, sendo a pressão máxima dos pés sobre o solo quando o compressor apoia–
se em uma única fileira de patas, de 10 a 20 MPa (figura 3.7(a)). Após a compactação,
o solo se apresenta como mostrado na figura 3.7 (b) e (c).
Nas especificações gerais são fornecidos dados tais como o peso do equipamento,
diâmetro do cilindro, número de patas, altura, área de contato, velocidade à frente e ré.
Rita Moura Fortes
6/6
O mecanismo de compactação se dá de baixo para cima (vide figura 3.8), em
camadas com espessura menor que altura da pata, devendo o solo estar com teor
de umidade próximo ao teor de umidade ótimo, com a finalidade de se obter a massa
específica aparente seca máxima. Se o solo estiver com o teor de umidade menor que
hot, deve-se umedecer a camada e caso contrário, deve-se revolver o solo com um
escarificador e esperar secar (figura 3.9).
(a)
(b)
(c)
Figura 3.7 (a) Rolo pé de carneiro (b) e (c) superfície após a compactação.
Figura 3.8 Esquema de compactação por camadas. Da esquerda para a direita,
caminhão basculante, trator de esteiras (dozer) e rolo de compactação.
Figura 3.9 – Revolvimento do solo com escarificador para secagem.
Rita Moura Fortes
7/7
É principalmente recomendado para solos argilosos e siltosos. A espessura média
da camada de solo solto é da ordem de 20 a 25 cm, sendo usual de 8 a 10
passadas, e a velocidade de compactação não ultrapasse 4 km/h.
Geralmente quando se interrompe a compactação de um aterro, é usual se selar a
camada, passa para esta finalidade o rolo liso procurando dar caimento para o
escoamento das águas pluviais. Antes de se iniciar ou reiniciar a compactação da
camada selada (lisa), deve-se escarificá-la com a finalidade de se obter uma melhor
aderência entre as camadas.
Percebe-se visualmente que o solo está compactado quando o rolo de pé de carneiro
não penetra mais no solo (anda na ponta dos pés).
3.3.1.2
No laboratório: foi desenvolvido em 1948 , na Universidade de Harward ,
compactando-se o solo em um cilindro de cerca de 10 cm² de área e 10 cm de altura,
em 10 camadas com o pisoteador constituído por uma haste de 12 mm de diâmetro
acionada por mola cujo esforço é geral de 9 kg e o número de golpes 25.
3.3.2 Impacto
É uma compactação dinâmica.
3.3.2.1 No campo: É realizada com o sapo ou soquete vibratório, podendo ser a
gasolina, com motor de 2 tempos ou a explosão diesel ou motor trifásico de
2CV, com massa de aproximadamente de 55 kg, compactando-se camadas
com profundidade de até 30 cm.
Existem os soquetes manuais de ar comprimido utilizados para compactar junto às
paredes onde é impossível utilizar-se de outros compactadores, que são usualmente
denominados de “sapo”, conforme mostrado na figura 3.10.
Figura 3.10 Soquete manual (sapo) (Dynapac).
Têm-se também utilizado grandes pesos de 10 a 40 tf que são erguidos através de
guindaste, caindo de 10 a 20 cm de altura, podendo compactar camadas com
espessura de 5 a 15 cm.
Rita Moura Fortes
8/8
3.3.2.2 no laboratório: temos os ensaios:
a) normal de compactação (Proctor padrão)
b) ensaio Proctor modificado: ensaio similar ao Proctor padrão, utilizando-se o solo
em 5 camadas com 55 golpes cada.
3.3.3 vibração
3.3.3.1 no campo: equipamentos que utilizem vibração além do peso próprio .
Placas e Rolos Vibratórios : são utilizados para compactar materiais granulares como
os solos grossos com menos de 12% passando na peneira de malha 0,075 mm (areia,
pedregulhos, britas), sendo também adequados para solos com 4 a 8% passando
nessa peneira. A espessura da camada compactada deve situar-se em torno de 20 a
25 cm, ou seja, a camada de solo é da ordem de 60 a 100 cm. O número de passadas
está geralmente na faixa de 2 a 4, com uma pressão de 8 kgf/cm² , sendo que sua
velocidade ultrapassa 8 km/h.
A vibração é geralmente causada pela ação de dois discos excêntricos movidos por um
motor a gasolina. O vibrador pode ser montado sobre um rolo compressor liso (ou
mesmo rolo pé de carneiro) sobre uma placa de aço lisa.
O controle de compactação é realizado visualmente, efetuando-se passadas suficientes
para que não haja abatimento visível da camada, além de efetuar os controles de praxe
(grau de compactação e desvio do teor de umidade).
Milton Vargas desaconselha a utilização de rolos compressores vibratórios pé de
carneiro, pois a vibração não pode produzir compactação alguma em solos que
possuem alguma coesão, sendo que o efeito da vibração só serviria para aumentar o
peso de pé de carneiro por efeito dinâmico, saindo, portanto, mais econômico
aumentar-lhe o peso estático.
3.3.4
estática
3.3.4.1 no campo: pode ser do tipo:
a)
Rolo Liso: composto por um cilindro de aço oco , podendo ser enchido com areia
ou pedregulho, com a finalidade de aumentar a pressão aplicada. Podem ser de
apenas uma roda (rolo), duas em tandem, em três.
São indicados para compactação de pedregulhos, areia, pedra britada, com camadas
de espessura de 5 a 15 cm. Por causa de sua pequena superfície de contato são
utilizados na compactação do capeamento e em base de estrada (figura 3.11).
Rita Moura Fortes
9/9
Figura 3.11 Rolo liso (Dynapac).
Os rolos tipo tandem são utilizados na compactação de bases e subleitos de estradas
sendo encontrados com peso de um a vinte toneladas. Geralmente 4 passadas são
suficientes para compactar camadas de 15 a 20 cm de profundidade. Já os de 3 rodas
são utilizadas para compactar solos finos com pesos de 6 a 7 t para material de baixa
plasticidade e de 10 t para material de alta plasticidade, sendo 6 passadas suficientes
para compactar de 15 a 20 cm de espessura.
b)
Rolo Pneumático: são indicados para a compactação de solos de granulação
fina arenosa (siltes ou areias finas), capas asfálticas, bases e sub-bases de
estradas. E caracterizado pela pressão de área de contato com o solo, que
dependem da pressão de área de contato com o solo, que dependem da
pressão de enchimento dos pneus e do peso do compressor. Os pesos
operacionais podem ir de 10 a 100 tf com pressões de 5 a 10 atm. Se de grande
peso, com pneus de grande área de contato, podem compactar espessuras de
30 a 50 cm de solo solto. Como deixa um acabamento superficial liso, para
aumentar a aderência entre a camada e a outra é preciso escarificar a superfície
antes de compactar a próxima camada. O mecanismo de compactação se dá de
cima para baixo. É usual dar-se de 4 a 6 passadas, sendo que sua velocidade
situa-se na faixa de 4 a 6 km/h.
3.3.4.2
No laboratório: O ensaio é realizado no molde Harvard Miniatura de
diâmetro interno igual a 3,5 e 9 cm de altura, sendo o corpo de prova (c.p.)
levado a romper numa prensa hidráulica, por compressão simples.
3.4 Controle da Compactação
Nos itens anteriores foram descritos vários controles “práticos” obrigatórios. Além dos
métodos mais complexos, deve-se observar:
a) Lançamento das camadas com espessuras não maiores que 30 cm de material
fofo, incluindo-se nesse 30 cm, a parte superficial fofa da camada anterior (2 a 5
cm) . Esta espessura das camadas deve ser rigorosamente controlada por meio de
Rita Moura Fortes
10/10
estacas (topografia) . Uma segunda condição será de que as camadas, depois
de compactadas, não devem ter mais de 20 cm de espessura média. A medida
dessa espessura média será feita por nivelamentos sucessivos da superfície do
aterro, por exemplo, a cada 10 camadas compactadas;
b) Manutenção do teor de umidade do solo próxima a ótima por meio manual: na
umidade ótima, o solo pode ser aglutinado em bolas por esforço da mão, sem sujar
as palmas. A correção da umidade é feita por secagem do solo acompanhada de
aeração por meio de arados de discos, ou pelo contrário, por meio de caminhões e
irrigadeiras;
c) Homogeneização das camadas a serem compactadas, tanto no que se refere à
umidade como ao material. Isso se obterá com o uso de escarificadores e arados
de disco;
d) Passagem do compressor pé de carneiro até que ele não consiga imprimir marcas
de suas patas, no solo, com mais de 5 cm de profundidade. Quando a
compactação é feita com compressor de pneus, ela será levada até a formação de
uma superfície lisa, porém, depois essa deve ser escarificada, numa profundidade
máxima de 5 cm, para se fazer a ligação das próximas camadas.
Além de se especificar a espessura da camada, equipamento de compactação e
número de passadas, é de suma importância a obtenção dos seguintes parâmetros de
compactação:
a) grau de compactação (GC) : é a relação entre a massa específica aparente seca a
ser medida no campo e massa específica aparente seca máxima obtida no ensaio
de laboratório.
γs ( campo )
GC = ---------------------------------------------γsmáx. ( laboratório )
x
100 %
onde:
GC = grau de compactação, dado em porcentagem;
γs (campo) = massa específica aparente seca obtida no campo
γs máx (laboratório) = massa específica aparente seca máxima obtida no laboratório.
Para se obter a massa específica aparente seca do solo no campo, após a
compactação pode-se utilizar o método para determinação da massa específica
aparente com emprego do frasco de areia (figura 3.12) ou o da cravação do cilindro
(no caso do solo ser fino).
Rita Moura Fortes
11/11
Figura 3.12 – Ensaio para determinação da massa específica aparente com emprego
do frasco de areia.
Um dos maiores problemas está na obtenção do teor de umidade, no campo, através
de métodos simples e expeditos como: o da frigideira ou o do álcool, que apresentam o
perigo de queimar partículas do solo, o do Speedy, onde a utilização das cápsulas de
carbureto de cálcio levam à resultados pouco precisos com solos plásticos; o da estufa,
que é incompatível com a liberação imediata da camada compactada e por fim, a
utilização de outros métodos que apresentam custo elevado (estufa infra vermelho).
Visando contornar esse problema, Jack Hilf do Bureau of Reclamation, desenvolveu
uma teoria denominada método Hilf, através da qual é possível obter-se um controle
rápido aproximado.
O projetista geralmente especifica que o GC seja de no mínimo 95%.
b) desvio do teor de umidade (∆ h) : é a diferença entre o teor de umidade do solo
que foi compactado e o teor de umidade ótimo obtido no laboratório.
∆ h = |h campo - h ótimo|
O projetista geralmente especifica que ∆ h seja mais ou menos 2% do hot.
Rita Moura Fortes
12/12