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6Equipamentos e Metodologias de Ensaios
Antes de propor uma metodologia para se avaliar a técnica de dessorção
térmica, é necessário que se conheça os parâmetros e índices envolvidos no
problema. A Tabela 14 contém desde os parâmetros e índices mais básicos,
presentes em qualquer tipo de pesquisa, até os mais específicos, para o caso de
fluxo de temperatura e volatilização dos contaminantes, bem como, quais os
parâmetros determinados e quais os parâmetros retirados de correlações. Para a
determinação de um certo parâmetro a técnica que será utilizada está apresentada
na coluna Determinação. Os parâmetros ou índices que não forem determinados
serão obtidos por correlações, listadas na segunda coluna da Tabela 14.
Tabela 14 – Parâmetros necessários nas análises
Parâmetros / Índices Correlações Determinação
Peso específico natural,
peso específico real dos
grãos, umidade natural,
limites de consistência,
análise granulométrica
Por correlações determina-se
uma série de outros parâmetros
(índice de vazios, porosidade,
peso específico seco e saturado,
grau de saturação, etc.)
Caracterização completa do solo
Propriedades dos contami-
Nantes: ponto de ebulição,
pressão de vapor,
solubilidade na água
Dados apresentados anterior-
mente na Tabela 3, ou se
necessário, retirado de outras
fontes bibliográficas.
Fluxo de temperatura Imposto
Condutividade Térmica (λ) Será determinado utilizando-se
do método de agulha de
aquecimento conforme descrito
no item 6.2
Teor de umidade
volumétrica θ = f (w) => ww
d ⋅=γγ
θ
Calor específico do solo
(cn), da água (cw) e do ar
(ca)
Calor específico da água e do ar
são tabelados, conforme descrito
nas Tabelas 5 e 7
Será determinado utilizando-se
do método de agulha térmica de
acordo com o item 6.2
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 106
Tabela 14 (continuação) - Parâmetros necessários nas análises
Parâmetros/Índices Correlações Determinação
Capacidade de
Aquecimento volumétricocC ⋅= ρ
e
aawwss CCCC θθθ ++=
Difusividade térmica (D) Método da Agulha Térmica (item
6.2)
Condutividade hidráulica
saturada (k)
Determinação em permeâmetros
de carga constante e parede
flexível, conforme o item 6.1
Curva característica de
sucção
Determinada com a técnica do
papel filtro, de acordo com item
6.3
Condutividade hidráulica
não-saturada (kθ)
Determinada a partir da
condutividade hidráulica
saturada (k) e curva de sucção
através das equações de Van
Genutchen (1980)
Condutividade hidráulica
saturada com temperatura
controlada
Adaptação de um permeâmetro
de carga constante e parede
flexível a aplicadores e
controladores de temperatura
altamente precisos. Sua descrição
se encontra no item 6.4
Difusividade térmica do
vapor (DTV), difusividade
isotérmica do vapor (DθV) ,
difusividade térmica do
líquido (DTL), difusividade
isotérmica do líquido (Dθv)
Correlações com constantes e
com as curvas características de
sucção e condutividade
hidráulica não saturada.
Os próximos itens apresentarão às descrições detalhadas dos equipamentos
utilizados nos ensaios, assim como a metodologia empregada.
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 107
6.1Condutividade Hidráulica Saturada
O equipamento de ensaio, desenvolvido no laboratório de Geotecnia da
PUC-Rio, consiste de um permeâmetro de parede flexível para a realização de
ensaios com carga constante. A Figura 19 apresenta a visão geral do equipamento,
enquanto que a Figura 20 apresenta um diagrama esquemático do mesmo.
Figura 19 – Permeâmetro desenvolvido no laboratório de Geotecnia da PUC-Rio
O fluxo neste equipamento é vertical ascendente, com medidas do volume
de entrada e de saída de fluído das amostras. O pedestal da base e o cabeçote
superior medem 10,16cm de diâmetro e a câmara pode acondicionar corpos de
prova de até 25cm de altura.
Neste equipamento é utilizado um sistema de aplicação de pressão a ar
comprimido. O painel de aplicação de pressão é composto por três válvulas, sendo
na primeira linha de válvulas, a da esquerda, utilizada para aplicar pressão na base
e a da direita para aplicar pressão no topo. A válvula inferior é usada para aplicar
a tensão confinante.
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 108
3
5
8
64
2
7
1
Figura 20 – Representação esquemática do permeâmetro
1- Painel Ar Comprimido
2- Abastecimento de água
3- Medidor de Variação de
Volume
4- Corpo de prova
5- Câmara
6- Bureta Garduada
7 – Interface Ar-Água
8-Aquisitor de Ddaos
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 109
A tensão confinante é aplicada com ar comprimido através de uma interface
ar-água e medida através de um transdutor elétrico de pressão, marca Schaevitz,
com capacidade de 1000kPa, devidamente calibrado. Os métodos utilizados para a
calibração de todos os instrumentos elétricos utilizados e suas respectivas curvas
de calibração estão apresentados no Apêndice A
O gradiente hidráulico é estabelecido para amostra por meio de aplicação de
pressões diferentes no topo e na base. Essas pressões também são medidas com
transdutores elétricos de pressões devidamente calibrados, conforme Apêndice A.
A pressão no topo é medida no mesmo transdutor que mede a tensão confinante.
O transdutor elétrico de pressão usado para medir a pressão da base, também é da
marca Schaevitz, com capacidade de 1000kPa.
A base de cada amostra é ligada a um medidor de variação de volume que
funciona também como interface. Os medidores foram construídos na oficina do
próprio laboratório. Os detalhes de projeto podem ser vistos em Borges (1996).
Uma pressão de ar comprimido é aplicada no reservatório inferior e transmitida ao
fluído de percolação, contido no reservatório superior, através de um êmbolo. O
fluído sai gradualmente do reservatório, sendo injetado na base da amostra. Existe
um transdutor de deslocamento LSC-HS, acoplado ao êmbolo do medidor de
variação de volume que indica o volume que entra na amostra através de uma
curva de calibração, e que se encontra no Apêndice A.
Os sinais elétricos advindos dos transdutores são captados pelo sistema de
aquisição de dados – ORION, onde são convertidos para unidades de engenharia
através das curvas de calibração, que estão apresentadas no Apêndice A.
O topo é ligado a uma bureta com capacidade volumétrica de 5cm3, com
resolução de 0,1cm3, onde é medido o volume de fluído que sai da amostra.
O equipamento conta ainda com um sistema de distribuição de água para os
medidores de variação de volume. Quando o reservatório do fluído do medidor de
variação de volume esvazia, o sistema permite o seu abastecimento com água.
6.1.1Metodologia de Ensaio
Para corpos de prova compactados conforme descrito anteriormente (5.2.1),
com altura de 6cm e diâmetro de 10,14cm, os ensaios de permeabilidade foram
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 110
executados em amostras submetidas a diferentes temperaturas – temperatura
ambiente (22°C), 50oC, 100oC, 150oC, 200oC, 250oC e 300oC, para o solo do
Campo Experimental, e, temperatura ambiente (22°C), 100oC, 200oC, e 300oC,
para o solo da Cidade dos Meninos.
Após sua fabricação todas as amostras foram secas ao ar para depois serem
submetidas a uma determinada temperatura na mufla durante 8 horas.
O corpo de prova é então colocado na célula com papel-filtro e pedra
porosa, separando as suas extremidades da base e do topo e envolvido por uma
membrana de látex, presa com anéis de vedação à base e ao cabeçote.
Fecha-se a câmara e enche-se a mesma com água até um pouco mais que a
altura do corpo de prova. Com a água colocada na câmara aplica-se a tensão
confinante por meio da interface ar-água. Regula-se então as pressões que serão
aplicadas na base e no topo da amostra, deixa-se percolar água pela amostra, e
quando é atingido o regime de fluxo permanente as vazões de entrada e de saída
são praticamente iguais. Admitindo-se que a amostra está saturada, calcula-se
assim a condutividade hidráulica do solo. Este procedimento é repetido para os
corpos de prova submetidos a diferentes temperaturas.
6.2Condutividade Térmica e Calor Específico
A condutividade térmica governa a condição de fluxo permanente, enquanto
a difusividade térmica é aplicada aos casos em que a temperatura varia com o
tempo.
Existem várias maneiras de se medir condutividade térmica. Os métodos
existentes são de fluxo de calor estacionário (temperatura constante) ou de fluxo
de calor transiente (temperatura variando com o tempo). Quando o método
estacionário é usado para estudar transferência de calor num solo não saturado
aplica-se tanto um gradiente de temperatura como um gradiente de umidade. Ao
aplicar-se uma diferença constante de temperatura numa coluna de solo, o solo
próximo à face quente se torna seco, enquanto que o solo próximo à face fria se
torna úmido. Devido a este inconveniente, alguns estudos incluindo o de Mitchell
e Kao (1978), sugerem que os métodos estacionários somente devem ser
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 111
utilizados para medir condutividade e difusividade em solos secos, evitando-se
desta maneira os gradientes de umidade.
Segundo Jackson e Taylor (1986) os métodos que utilizam fluxo de calor
transiente são considerados mais adequados para solos. Dentre as vantagens do
método transiente pode-se citar: o movimento de água em resposta a gradientes de
temperatura é minimizado e não é necessário uma longa espera para que os
gradientes térmicos se tornem constantes. de Vries (1957) sugere o uso de
pequenos gradientes de temperatura, para se minimizar os movimentos de água
devido a aplicação de gradientes de temperatura.
Alguns autores, como por exemplo, Jackson e Taylor (1986) e Farouki
(1986), indicam que o método da agulha térmica (ou sonda térmica) é um método
rápido e conveniente para medir a condutividade térmica de solos in-situ ou em
laboratório.
A agulha é inserida no solo que será ensaiado, e deve ser suficientemente
fina para não causar amalgamentos ou distúrbios no solo. A agulha térmica
consiste de um sistema aquecedor que produz energia térmica a uma taxa
constante e de um sensor de temperatura (termopar). A razão de aumento da
temperatura da agulha depende da condutividade térmica do meio que ela está
inserida.
A equação genérica da condução de calor, a qual descreve tanto o fluxo de
calor transiente quanto o estacionário é:
TDtT 2∇⋅=
∂∂ (59)
onde: T – temperatura (°K)
t – tempo (s)
D – difusividade térmica (m2/s)
A teoria do método da agulha térmica é baseado na teoria da fonte linear de
aquecimento num espaço semi-infinito, para um meio homogêneo e isotrópico. O
fluxo de calor que sai da sonda atravessa o material que está sendo ensaiado, com
uma difusividade térmica (D), seguindo a equação geral de Fourier. Para um
fluxo de calor unidimensional na direção longitudinal a equação 59 se torna:
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 112
2
2
xTD
tT
∂∂
⋅=∂∂ (60)
A relação entre condutividade térmica λ e difusividade térmica D é dada
por:
CD ⋅= λ (61)
onde: C – calor de aquecimento volumétrico = calor específico x densidade
Para coordenadas cilíndricas, correspondentes a direção radial ao redor da
agulha térmica, a equação 60, pode ser descrita de acordo com:
∂∂
⋅
+
∂
∂=
∂∂
rT
rrTD
tT 1
2
2 (62)
onde r – distância radial da fonte (m).
Para medidas da condutividade térmica a fonte linear infinita é aproximada
por um longo fio aquecido eletricamente, colocado num corpo de prova cilíndrico.
A corrente de aquecimento é fornecida pelo fio e o aumento de temperatura é
medido em um termopar colocado próximo ao fio.
Carslaw e Jaeger (1959) assumiram que o calor é produzido desde um
tempo t = 0, com uma taxa constante, q, por unidade de comprimento da sonda, a
solução resultante para o aumento de temperatura (T – T0) para uma distância
radial r da fonte é representado por:
( ) ⋅
⋅
=−λπ40
qTT
⋅⋅−
−tD
rEi 4
2 (63)
onde: q – calor produzido por unidade de tempo e unidade de comprimento (W)
λ – condutividade térmica(W/m°K)
D – difusividade térmica (m2/s)
t – tempo (s)
T0 – temperatura no tempo t = 0 e,
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 113
o termo ( )tDrEi ⋅⋅−− 42 , é uma integral exponencial que pode ser
aproximada a uma série de potência logarítmica, conforme mostrado na equação
64:
( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ...4444ln exp1
4
22220
4
2
2
+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅−−=−
=⋅⋅−−
∫⋅⋅−
tDrtDrtDrd
tDrE
tDr
i
γµµµ(64)
onde: γ - constante de Euler (0,5772...) e µ − variável de integração.
Segundo Jackson e Taylor (1986) para valores de tDr ⋅⋅42 << 1 todos os
termos depois do termo logarítmico podem ser negligenciados. Os erros causados
por se ter negligenciado os termos após o segundo termo da série de potência e os
erros causados pelo raio finito da fonte de aquecimento são infinitesimais. Para o
período de aquecimento a temperatura aumenta considerando-se:
( ) 100
101 t tpara ln
4<
+
⋅=−
ttdqTT
λπ (65)
onde: d – constante obtida através da simplificação da série de potência
t1 – tempo final do período de aquecimento.
Numa agulha térmica real, os valores de temperatura T0 e T1 correspondem
aos tempos to e t1 respectivamente. As temperaturas são medidas no interior da
agulha (próximo da fonte de aquecimento) por intermédio de um termopar situado
num ponto eqüidistante das extremidades da mesma.
A condutividade λ é calculada pela equação de medida da inclinação S e a
inclinação teórica λπ ⋅4
q dada pela equação 65. É mais conveniente plotar o
aumento de temperatura x logaritmos decimais de tempo, e, consequentemente a
inclinação passa a ser:
λπ ⋅⋅=4
303,2q
S (66)
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 114
O calor produzido q é obtido através de medidas de corrente e resistência,
ou usando a Lei de Ohm. Se I é a corrente em ampères e R a resistência em ohm
por centímetro de cilindro então I2 R é o calor produzido em Watts. Substituindo
I2 R por q e arrumando-se a equação obtém-se:
SRI 234,18
=λ (67)
Uma agulha térmica difere da idealizada fonte linear por ser uma fonte de
aquecimento cilíndrica com o comprimento finito, raio, e, condutividade térmica
própria. E ainda existe a resistência de contato dela com o meio. Para se garantir
as condições de fluxo radial ao redor da agulha sugere-se que seu comprimento
seja pelo menos 25 vezes o seu diâmetro. O tempo necessário para que a curva de
temperatura x logaritmo do tempo se torne linear depende do raio da agulha e de
suas constantes térmicas, do meio circundante e das resistências de contato.
Farouki (1982) mencionou que este tempo pode ser menor do que um minuto para
agulhas com raio de 1mm, chegando a uma hora para agulhas com diâmetro de
1cm.
Um diagrama esquemático de uma sonda térmica utilizada nas medidas de
condutividade térmica está apresentado na Figura 21. A sonda térmica
normalmente é de aço inoxidável, pôr ser um material de baixo calor específico e
alta difusividade térmica.
Figura 21 – Esquema de sonda térmica
Molde de Compactação
Solo
Sonda Térmica
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 115
Uma amostra de solo é compactada dentro de um molde. Insere-se a agulha
térmica no centro. A sonda térmica consiste em produzir energia térmica de
aquecimento a uma carga constante e de um elemento que meça a temperatura, tal
como um termopar. A razão do aumento da temperatura da sonda depende da
condutividade térmica do meio que a está envolvendo. A condutividade térmica é
medida conforme a equação (65).
As medições de condutividade térmica que se utilizam da sonda térmica
existentes na literatura consultada, em essência são todas iguais, o que as
distingue são as formas de inserção da sonda e as maneiras de efetuar e controlar a
compactação.
Mitchell e Kao (1978) usaram o ensaio da agulha térmica para solos desde
argilas altamente plásticas até pedregulhos bem graduados, tendo sucesso em suas
experiências. A variação de resistividade térmica medida vai desde 30oC.cm/W a
300oC.cm/W e as temperaturas as quais foram submetidas as amostras variaram
de –10oC a 90oC. Oliveira Jr. (1993) utilizou o método da sonda térmica para
determinar a condutividade em função do grau de saturação, provando que esta
varia com a saturação. Este resultado já era esperado, evidenciando desta forma
que a condutividade térmica que se está buscando é uma função que depende do
teor de umidade do solo.
Para a realização de ensaios da presente tese adquiriu-se uma sonda de
imersão de condutividade térmica da empresa ALMEMO modelo FP A437-1, que
fornece um fluxo de calor constante quando colocada dentro do material a ser
ensaiado. Este fluxo é mantido até que o equilíbrio seja estabelecido entre a
energia térmica transferida para o material e a energia térmica dissipada. Esta
sonda é acoplada a um data-logger portátil, modelo ALMEMO 2290, que faz os
cálculos de condutividade térmica de acordo com o que foi descrito anteriormente.
Uma foto do conjunto sonda/data-logger é apresentado na Figura 22. O diâmetro
da sonda é de 1,5mm, com comprimento de 12 cm. A sonda trabalha com dois
termopares Pt100, sendo de 6cm a menor espessura de solo que se pode medir a
condutividade térmica. A condutividade térmica é determinada com unidade
W/mºK. A faixa de trabalho é da ordem de 0,025 a 0,410 W/mºK, com resolução
de 0,001 W/mºK. Este medidor permite a determinação de condutividades térmica
de maneira fácil e rápida.
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 116
Figura 22- Sonda térmica e Data-Logger
Para a medida do calor específico um novo conjunto solo-molde foi
acoplado a placas isolantes. Escolheu-se latão para o novo molde de compactação,
uma vez que este apresenta uma capacidade de aquecimento maior que a do
alumínio e ferro. O molde de compactação de latão tem o mesmo diâmetro que o
anterior, 10,14cm e uma altura de 6,00cm. A este novo molde foram acopladas
placas isolantes e impermeáveis de ACETAL, com temperatura de utilização em
trabalho contínuo entre 40 oC e 100oC. A foto do sistema molde de latão e placas
isolantes está apresentada na Figura 23.
A Figura 23(a) mostra o detalhe dos anéis de vedação utilizados no conjunto
placas-isolantes-molde. A Figura 23(b) mostra o detalhe da placa isolante do topo
onde foi instalado uma entrada para a agulha térmica. Essa entrada também está
devidamente isolada com anéis de vedação entre a agulha térmica e a rosca,
fazendo com que todo o sistema esteja hermeticamente fechado.
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 117
(a) (b)Figura 23 – Molde de latão e placas isolantes para a medição do calor específico.
A agulha térmica é inserida no centro do corpo de prova e todo o sistema
molde-placas isolantes e solo compactado é colocado em banho-maria conforme
ilustra a Figura 24.
Figura 24 – Medição do calor específico
A temperatura no centro da amostra é medida como uma função do tempo,
com o auxílio da sonda térmica, sendo que esta funciona neste momento apenas
como termopar, Pt 100 com resolução de 0,01oC. A temperatura da água em
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 118
banho-maria é medida por um termômetro digital da marca MINIPA, modelo MT-
511, com resolução de 0,1oC, visto na Figura 25.
Figura 25 – Termômetro digital MINIPA
A relação teórica entre a percentagem de variação de temperatura central e
o fator tempo adimensional para fluxo de calor radial para estas condições de
contorno radiais está apresentada na Figura 26 (Mitchell e Kao, 1978). O calor
específico, cs, pode ser calculado com a adição das seguintes relações:
50
502
tTdD = (68)
onde:
D – difusividade (m2/s)
t50 – tempo no qual ocorre 50% da mudança de temperatura no centro da amostra
T50 – fator tempo para 50% de variação da temperatura (Figura 26)
d- diâmetro do cilindro
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 119
0
20
40
60
80
1000,01 0,1 1
Fator T
% v
aria
ção
de
tem
pera
tura
c
Figura 26 – Curva de fator tempo para fluxo de calor radial. Michell e Kao (1978)
Sabe-se que a difusividade, D (m2/s), é dada pela razão da condutividade
térmica, λ (W/m.°K) pela capacidade de aquecimento volumétrico, C(θ)
(kJ/kg.°K), conforme:
)( θ
λC
D = (69)
O volume total de um determinado solo é composto pelas fases sólidas,
líquidas e gasosas, sendo a capacidade de aquecimento volumétrico dependente da
componente de cada fase, de maneira que:
aa
ww
ss C
VV
CV
VC
VV
C ...)( ++=θ (70)
onde:
Cs, Cw e Ca, são as capacidades de aquecimento volumétrico dos sólidos, da água
e do ar respectivamente.
Vs, Vw e Va os volumes ocupados pelas frações sólidos, água e ar.
V – volume total.
De acordo com a Tabela 5, a capacidade de aquecimento volumétrica do ar,
0,00029 cal/goC, é da ordem de 10-4 vezes menor que a dos sólidos e a da água,
transformando o último termo em desprezível. Na mesma Tabela 5 pode-se retirar
o valor da capacidade de aquecimento volumétrico da água, 1cal/goC. A
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 120
capacidade de aquecimento dos sólidos é dada pelo produto do calor específico do
material pela sua massa específica seca.
Substituindo-se os valores das capacidades de aquecimento volumétrico da
água e do ar, a definição da capacidade de aquecimento volumétrico em dos solos
e a definição de difusividade térmica (equação 69) na equação 70 obtém-se:
weD
c
VV
VV
VV
Dc
VV
Dc
VV
VV
cVV
D
ds
ds
w
dss
wds
s
wds
s
−+=
−=∴−=
+=
)1(.
1..1...
.
ρλ
ρρλλρ
ρλ
(71)
onde: cs – calor especifico dos sólidos (J/m3°K)
ρd- densidade específica seca (g/cm3)
w – umidade em peso (%)
λ – condutividade térmica radial (W/m.°K)
e – índice de vazios
6.2.1Metodologia de Ensaio
6.2.1.1Condutividade Térmica
Os corpos de prova aqui utilizados foram compactados conforme descrito
no item 5.2.1. Vale ressaltar que todos os corpos de prova foram compactados
adicionando-se 210mL de água a 1kg de solo seco para o solo do Campo
Experimental e 170mL e 1kg de solo para o solo da Cidade dos Meninos.
Após a compactação o corpo de prova secava ao ar, dentro do molde de
compactação por períodos diferentes – 24hs, 48hs, 72hs, 96hs, e assim por diante
até completar o ciclo de dezoito dias.
Com o tempo de secagem concluído, foram feitas as medidas da
condutividade térmica. Para um mesmo corpo de prova fez-se cinco medidas e
adotou-se a média destas como valor de condutividade térmica para aquela
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 121
determinada umidade. Foram realizados 19 ensaios de condutividade térmica,
variando com a umidade, para o solo do Campo Experimental e 13 ensaios de
condutividade térmica, variando com a umidade, para o solo da Cidade dos
Meninos. Para o solo seco, com umidade zero, a condutividade térmica foi medida
após deixá-lo em estufa a 105oC por 24 horas.
Foi necessário utilizar uma broca com o diâmetro imediatamente inferior ao
diâmetro da agulha térmica para fazer o pré-furo do corpo de prova, pois os carpos
de prova adquiriram uma rigidez que tornou impossível a inserção da agulha sem
danifica-la.
6.2.1.2Calor Específico
Compactou-se os corpos de prova no novo molde de latão seguindo as
mesmas metodologias descritas em 5.2.1. Os corpos de prova após compactados
eram secos ao ar, analisando-se assim a dependência do calor específico com a
umidade. Foram ensaiados quatro corpos de prova para ambos os solos.
Antes do fechamento do sistema molde-placas isolantes, fazia-se um pré-
furo com uma broca, de 1,5mm de diâmetro, nos corpos de prova. Antes de se
inserir o molde em banho-maria media-se a condutividade térmica do solo.
Para a determinação do calor específico, colocava-se o conjunto composto
de molde, placas isolantes e sonda térmica em banho-maria a temperaturas
diferentes: 40oC, 50 oC e 60 oC. Este procedimento foi seguido com o intuito de
verificar a dependência do calor específico com a temperatura.
Os cálculos foram realizados conforme descrito anteriormente, equação 71 e
Figura 26. Determinou-se o calor específico do solo do Campo Experimental e da
Cidade dos Meninos em função da temperatura.
O calor específico dos solos é dada pela relação calor específico x
temperatura na umidade higroscópica.
6.3Curvas Características de Sucção
A curva característica de sucção dos solos é uma relação que associa o
aumento de sucção matricial ao decréscimo da umidade do solo ou vice-versa.
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 122
Para realizar-se a determinação da curva característica utilizou-se a técnica de
papel-filtro. Villar e de Campos (2001) mostraram que esta técnica apresenta
resultados próximos se comparados aos obtidos por outras técnicas, como por
exemplo, o uso de dessecadores, transdutor de pressão e tensiômetros instalados
no solo. Para o uso desta técnica alguns cuidados na determinação da umidade do
papel filtro tem que ser levadas em consideração.
A técnica do papel-filtro baseia-se no princípio de que em um solo com
alguma umidade, em contato com o papel-filtro, com umidade menor, faz com
que este último absorva certa quantidade de água do solo até que se atinja um
equilíbrio de pressões. Este fluxo de água entre a amostra de solo e o papel-filtro
pode ocorrer de duas maneiras: através de fluxo de vapor ou fluxo capilar. Para
determinação da sucção mátrica esta transferência se dá através de fluxo capilar.
A determinação da sucção matricial envolve a colocação do papel filtro em
contato com o solo. Discute-se muito a dificuldade de se garantir um bom contato
entre o papel e o solo, quando se quer medir sucção matricial. Contudo alguns
estudos tem mostrado, incluindo Marinho (1994) que o grau de contato tem pouca
influência desde que o tempo de equilíbrio adequado seja utilizado.
O tempo de equalização da troca de água do solo com o papel filtro,
proposto pela norma americana, ASTM-D5298-92, é de 7 dias para a
determinação da sucção matricial. O tempo sugerido pela ASTM está de acordo
com os estudos publicados por Marinho (1997), Swarbrick (1995) e Villar e de
Campos (2001). Alguns autores, como Ridley (1995), sugerem prazos maiores
para valores de sucção baixos, chegando-se até a 14 dias para a sucção de 200kPa.
A norma americana ASTM-D5298-92 determina a colocação do papel filtro
na estufa por 16 horas antes de ser colocado em contato com o solo. Segundo
Marinho (1997), esse procedimento pode afetar as características de absorção do
papel, alterando assim a curva de calibração. O autor acima citado, propõe a
utilização do papel diretamente de sua embalagem. Este procedimento foi
empregado neste trabalho.
O papel-filtro utilizado foi o Whatman N.º 42. A ASTM-D5298-92
apresenta a curva de calibração, proposta por Chandler et al. (1992), em função do
teor de umidade do papel, dada pelas seguintes equações:
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 123
Umidade > 47 %:
( )wxkPaSucção log48,205,610)( −= (72)
Umidade ≤ 47%
( )wkPaSucção .0622,084,410)( −= (73)
6.3.1Metodologia de Ensaio
Para a obtenção das amostras de solo que foram utilizados na determinação
da curva característica, o solo foi compactado sempre com a mesma umidade e
energia de compactação. Conforme descrito na seção 5.2.1, para cada corpo de
prova gerado, retiravam-se duas amostras com anéis moldadores nas extremidades
dos corpos de prova. Estes anéis moldadores têm o diâmetro de 5,04 cm e altura
de 2,00 cm. Existem 12 anéis com estas dimensões no laboratório de Geotecnia da
PUC-Rio.
Foram determinadas as curvas características de sucção para as amostras de
solo submetidas a diferentes temperaturas, temperatura ambiente, 50oC, 100oC,
200oC, e 300oC para o solo do Campo Experimental e da Cidade dos Meninos.
Após a extração das amostras estes corpos de prova foram secos ao ar para depois
serem submetidas a diferentes temperaturas na mufla durante 8 horas.
Quando os corpos de prova eram retirados da mufla, eram umedecidos com
diferentes quantidades de água, com a ajuda de uma pipeta, realizando-se assim
uma trajetória de umidecimento. As amostras umidecidas eram deixadas em
câmara úmida por 24 horas, enroladas em filme de PVC e colocados dentro de
sacos plásticos, para que pudesse existir uma melhor equalização de umidade nas
mesmas.
Fez-se também a trajetória de secagem para o solo do Campo Experimental.
Após a retirada dos amostras da Mufla estas foram saturadas e depois secas ao ar
em diferentes intervalos de tempo.
Para as amostras de solos que não foram submetidas a incrementos de
temperatura realizou-se tanto a trajetória de umidecimento quanto a de secagem.
Para se determinar a trajetória de secagem, o corpo de prova quando retirado da
mufla era saturado, e após esta saturação deixado secar ao ar em diferentes
intervalos de tempo.
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 124
No solo da Cidade dos Meninos foi seguida somente a trajetória de
secagem, uma vez que era pouca a quantidade disponível deste solo. Na retirada
das amostras, subestimou-se a quantidade necessária de solo para os ensaios.
Devido ao acesso restrito, sendo necessário autorização legal para entrar no local,
não foi possível uma segunda visita para retirada de mais amostras indeformadas
em tempo hábil.
O papel filtro foi cortado no mesmo diâmetro da amostra, tomando-se o
mais rigoroso cuidado para que não existisse o contato entre o papel-filtro e
qualquer coisa que pudesse transmitir umidade para o mesmo.
Colocou-se o papel filtro em contato com o solo e depois o conjunto foi
envolvido com algumas camadas de filme de PVC. Em seguida, colocou-se uma
camada de papel alumínio, fita adesiva e dois sacos plásticos, nesta seqüência.
O período de equalização foi de 14 dias, com as amostras mantidas dentro
de uma caixa de isopor, com o intuito de minimizar a variação de temperatura nas
amostras. Esta caixa era colocada no interior de uma sala com temperatura de
aproximadamente 20ºC.
Após esse período retirou-se o papel-filtro envoltório da amostra, pesando-
se o papel em balanças analíticas de 3 e 4 casas decimais. O processo de pesagem
do papel filtro para a determinação da sua umidade foi proposto por Villar e de
Campos (2001). Remove-se o papel-filtro com pinça tomando-se o cuidado para
que não hajam partículas de solo aderidas ao mesmo. Ao retirar a última camada
do filme de PVC o cronômetro era acionado. Em seguida levou-se o papel filtro à
balança e iniciou-se o monitoramento da perda de umidade do papel filtro durante
3 minutos, sendo os 2 primeiros minutos a cada 10s e o último a cada 15s. Assim,
pode-se obter o gráfico do peso do papel filtro pela raiz do tempo, possibilitando
uma extrapolação gráfica para a determinação do peso do papel quando em
contato com o solo (tempo igual a zero).
Logo após a pesagem do papel e do corpo de prova, eles eram colocados na
estufa a 105ºC por 24 horas para a determinação da umidade. Como a balança é
sensível à temperatura, sobre ela colocou-se um pedaço de isopor, de
aproximadamente 2cm, para a determinação do peso, logo que o papel fosse
retirado da estufa. O peso seco do papel foi obtido da mesma forma de quando se
retirava o mesmo do contato com o solo.
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 125
6.4Condutividade Hidráulica Saturada com Temperatura Controlada
Para o equipamento de temperatura controlada foi feita uma adaptação no
permeâmetro de parede flexível e de carga constante, que foi descrito no item 6.1.
Nessa adaptação o que mais se visava era que o sistema de aplicação e controle de
temperatura fosse eficaz e preciso.
Para a busca de confiabilidade no equipamento questionou-se quais
materiais poderiam ser mantidos no permeâmetro e quais não agüentariam a
aplicação de calor. Buscou-se também que a temperatura fosse mantida constante
ao longo do ensaio e que não fosse dissipada para a atmosfera.
Quanto aos materiais do permeâmetro, verificou-se que o material da
câmara (acrílico – Perspex) não iria resistir a acréscimos de temperatura. Foi
projetada então uma câmara com aço 1020, na qual foi colocado um indicador de
nível d’água para que se pudesse controlar o nível da água dentro da câmara. No
primeiro ensaio realizado com aquecimento houve um processo acentuadíssimo de
corrosão do material, evidenciando-se a necessidade de um tratamento superficial
no aço. Dentre os processos disponíveis no mercado para evitar o ataque de
temperatura ao aço o que melhor se adaptou foi o de zincagem. Um detalhe da
câmara é mostrado na Figura 27.
Figura 27 – Detalhe da câmara de aço
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 126
Como não se era desejada uma dissipação da temperatura aplicada, buscou-
se colocar todo o sistema num mesmo equilíbrio de temperatura. Para isso, o
permeâmetro foi instalado dentro de uma estufa. A estufa usada para esta
aplicação foi uma estufa de secagem de solos, sendo para este fim realizada uma
modificação em seu controle de temperatura.
O sistema de controle da temperatura da estufa passou a ser feito por um
controlador e indicador de temperatura microprocessado modelo HW 1430 - Coel.
O termopar de controle está instalado na parte central superior da estufa e
conectado a este controlador, possibilitando a aplicação de temperaturas de até
100oC. O termopar utilizado é do tipo K. Este tipo de termopar foi escolhido pois
se adapta bem para outras variações de temperaturas mais altas, caso se queria
utilizá-las, uma vez que este controlador pode atingir temperaturas até 1000oC. A
precisão de controle da temperatura é de ± 5oC. Uma foto geral mostrando o
detalhe do termopar e de controlador está apresentada na Figura 28(a). A variação
de 8 graus entre as temperaturas indicadas na Figura 28(a) se deve ao fato da porta
da estufa estar aberta para a atmosfera no momento da foto.
A saída de controle, tipo on-off, mantém o processo na temperatura
desejada. Os visores, com 4 dígitos cada, permitem visualizar simultaneamente a
temperatura no interior da estufa (visor superior - vermelho) e a temperatura pré-
selecionada (visor inferior - verde), conforme ilustra a Figura 28(b).
(a) (b)
Figura 28 – Unidade de controle de temperatura
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 127
Para a realização dos ensaios com temperatura controlada projetou-se um
sistema de aplicação de calor que foi acoplado à base da câmara. Este sistema
permite a elevação da temperatura das amostras até o valor estabelecido para cada
ensaio. Foram projetadas duas resistências, associadas em série, que permitem
aquecer o volume de água que se faz necessário para submergir a amostra e o
cabeçote. Além desta resistência, um termopar tipo Pt100 foi acoplado a base da
câmara para permitir um controle da temperatura. Utilizou-se um termopar tipo
Pt100, pois este é mais estável para baixas temperaturas, apresentando uma
relação bastante linear. Um detalhe da base é apresentado na Figura 29(a). Tanto
os termopares quanto a resistência foram ligados a um controlador universal
CNT110 – Incon. Este controlador está apresentado na Figura 29(b). O
controlador é do tipo DPID de 220 Volts a 30 Ampères. A principal característica
deste controlador é que pode-se programar um sistema de rampa e patamares com
precisão de ± 1oC. O sistema de rampa e patamares faz com que depois que a
temperatura desejada seja atingida, esta independentemente do tempo irá se
manter constante. Todo o sistema de resistência só pode ser acionado quando
estiver submerso. Da mesma maneira que, para o controlador da estufa, a saída
para controle, tipo on-off, mantém o processo na temperatura desejada. Os
displays com 4 dígitos cada, permitem visualizar simultaneamente a temperatura
no interior da câmara (visor superior - vermelho) e a temperatura pré-selecionada
(visor inferior - verde), como ilustra a Figura 29(b).
(a) (b)Figura 29 – Detalhes do sistema de aquecimento
A tensão confinante é aplicada com ar comprimido através de uma interface
ar-água e medida através de um transdutor elétrico de pressão, do tipo Gefran com
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 128
capacidade de 1000kPa. Este transdutor de pressão foi utilizado, uma vez que o
fabricante garantiu sua faixa de trabalho até 150oC. Como este era mantido dentro
da estufa, a qual iria sofrer aquecimento, o transdutor foi calibrado para diferentes
temperaturas. Estas calibrações se encontram no Apêndice A. A poropressão no
topo é medida através do mesmo transdutor que mede a tensão confinante.
O transdutor elétrico de poropressão da base, do tipo Gefran com
capacidade de 1000kPa, também seria submetido ao aumento de temperatura,
sendo então feita a calibração para diferentes temperaturas. Essas calibrações se
encontram no Apêndice A.
O medidor de variação de volume foi mantido dentro da estufa, para que a
água que percolasse a amostra também estivesse no mesmo nível de temperatura
do interior da câmara. Sendo a faixa de trabalho do LSC-HS no 3483-50 não
resistente à temperatura, foi projetado um sistema com haste e rolamento perfeito
que permitiu que este ficasse do lado externo da estufa, conforme mostra a(Figura
30. A calibração do LSC-HS se encontra no Apêndice A.
Figura 30 – Detalhe do medidor de variação de volume e do LSCDT
Como última adaptação ao equipamento foram instalados termopares tipo J
para que fossem medidas as temperaturas de entrada e de saída da água percolada.
Foi utilizado termopares do tipo J, uma vez que estes são mais precisos para
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 129
baixas temperaturas, que o caso das temperaturas aqui ensaiadas. Detalhes dos
termopares estão apresentados na Figura 31, termopar da base, 31(a), termopar do
topo, 31(b). Para esses termopares foram adquiridos amplificadores que
permitiram que seus sinais fossem lidos no sistema de aquisição de dados do
laboratório. A calibração destes termopares foi feita com o auxílio de banho-maria
e de um termômetro digital portátil, MINIPA MN-511, Figura 25. A calibração
destes termopares também se encontra no Apêndice A.
(a) (b)Figura 31 – Detalhe dos termopares instalados na base e no topo da amostra
Na Figura 32 é apresentada uma visão geral de como ficou o permeâmetro
de temperatura controlada, enquanto que a Figura 33 apresenta um diagrama
esquemático do mesmo.
Figura 32 – Permeâmetro de temperatura controlada
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 130
9
43
6
7
1310
7
1
1211
15
14
2
9
8
5
1- Aquisitor de Dados - Orion 6- Câmara de Aço 11- Controlador da Câmara2- Estufa – Temperatura Controlada 7- Transdutores de Pressão 12- Controlador da Estufa3-Interface Ar-Água 8- Corpos de Prova 13- Termopares na entrada e na saída do CP4- Medidor de Variação de Volume 9- Termopares Controladores da Câmara e da Estufa 14- Bureta graduada5- LSVDT – medidor de deslocamento 10- Resistências do Controlador da Câmara 15- Válvulas de aplicação de ar comprimido
Figura 33 – Diagrama esquemático do permeâmetro de temperatura controlada.
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 131
O fluxo neste equipamento é vertical ascendente, com medidas do volume
de entrada e de saída de fluído das amostras. O pedestal da base e o cabeçote
superior têm 10,16cm de diâmetro.
Neste equipamento é utilizado um sistema de aplicação de pressão a ar
comprimido. O painel de aplicação de pressão é composto por três válvulas, sendo
na primeira linha de válvulas, a da esquerda, utilizada para a aplicar pressão na
base e a da direita para aplicar pressão no topo. A válvula inferior é usada para
aplicação da tensão confinante.
A tensão confinante é aplicada com ar comprimido através de uma interface
ar-água e medida através de um transdutor elétrico de pressão. O gradiente
hidráulico é estabelecido para amostra por meio de aplicação de pressões
diferentes no topo e na base. Estas pressões também são medidas com
transdutores elétricos de pressões devidamente calibrados. A pressão no topo é
medida no mesmo transdutor que mede a tensão confinante.
A base de cada amostra é ligada a um medidor de variação de volume que
funciona também como interface. Uma pressão de ar comprimido é aplicada no
reservatório inferior e transmitida através de um êmbolo ao fluído de percolação,
que está contido no reservatório superior. O fluído saí gradualmente do
reservatório, sendo injetado na base da amostra. Existe um medidor de variação
volumétrica do tipo diafragma – LSC-HS, acoplado ao êmbolo do medidor de
variação de volume, localizado na parte externa da estufa.
O topo é ligado a uma bureta com capacidade de 5cm3, com resolução de
0,1cm3 , onde é medido o volume de fluido que sai da amostra.
Os sinais elétricos advindos dos transdutores são captados pelo sistema de
aquisição de dados – ORION, onde são convertidos para unidades de engenharia
através das curvas de calibração, que estão apresentadas no Apêndice A e
armazenados em um disquete.
6.4.1Metodologia de Ensaio
Compactou-se os corpos de prova conforme descrito no item 5.2.1, com
altura de 6cm e diâmetro de 10,14cm, que foram colocados dentro da câmara, com
papel-filtro e pedra porosa separando as suas extremidades da base e do topo e
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 132
envolvida por uma membrana de látex, presa com dois anéis de vedação à base e
ao cabeçote.
Preencheu-se a câmara com uma quantidade de água que ultrapassasse o
cabeçote. Inicilizando-se o sistema de aquecimento. O aquecimento ocorria desde
a fase de saturação.
Foram executados ensaios de permeabilidade em amostras submetidas a
diferentes temperaturas – temperatura ambiente (22°C), 30oC, 40oC, 50oC, 60oC,
70oCe 80oC, para o solo do Campo Experimental, e, para o solo da Cidade dos
Meninos.
Com a água colocada na câmara aplicava-se a tensão confinante por meio da
interface ar-água. Regulava-se então as pressões que serão aplicadas na base e no
topo da amostra, deixando-se percolar água pela amostra. Quando atingia-se o
regime de fluxo permanente, evidenciado pela igualdade das vazões de entrada e
de saída, admitia-se a saturação da amostra, calculando-se assim a condutividade
hidráulica do solo. Este procedimento é repetido para os corpos de prova
submetidos a diferentes temperaturas.
Durante todos os ensaios foram controlados além das pressões no topo e na
base, a variação de volume, a temperatura da câmara e a temperatura de entrada e
saída de água na amostra.
6.5Célula de Compressão Isotrópica com Temperatura Controlada
Adaptou-se o permeâmetro com temperatura controlada, apresentado no
item 6.4, para que este se comporta-se como uma célula de compressão isotrópica,
sendo possível a realização de ensaios de dissipação com medição da variação de
volume.
A pressão do topo e da base deveriam ser mantidas iguais, então retirou-se a
interface e o topo e a base ficaram ligadas ao medidor de variação de volume. Os
transdutores elétricos de pressão utilizados são os mesmos, assim como toda a
configuração e disposição do controle de temperatura já apresentada
anteriormente. A Figura 34 mostra uma foto da nova configuração.
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 133
Figura 34 – Medidor de variação volumétrica com temperatura controlada.
6.5.1Metodologia de Ensaio
Compactou-se os corpos de prova conforme descrito no item 5.2.1, com
altura de 6 cm e diâmetro de 10,14 cm, que foram colocados dentro da câmara,
com papel-filtro e pedra porosa separando as suas extremidades da base e do topo
e envolvida pôr uma membrana de látex, presa com dois anéis de vedação à base e
ao cabeçote.
Preencheu-se a câmara com uma quantidade de água que ultrapassasse o
cabeçote. O sistema de aquecimento era então inicializado. Saturava-se o corpo de
prova e iniciava-se o ensaio.
Com a água colocada na câmara aplicava-se a tensão confinante por meio da
interface ar-água. Regulava-se então a pressão que seria aplicada no medidor de
variação de volume para ser transmitida a base e ao topo da amostra.
Após a saturação a temperatura no interior da câmara era elevada para 30oC,
com as drenagens do topo e da base devidamente fechadas. Esperava-se até a
estabilização das poropressões e abria-se a drenagem deixando que o água
entrasse ou saísse do corpo de prova. Quando esta estabilizava, fechava-se
novamente as drenagens e um novo incremento de temperatura era aplicado, e
após a sua estabilização as drenagens eram abertas para que a água dos poros
Capítulo 6 – Equipamentos e Metodologias de Ensaios 134
pudesse ser liberada. Este procedimento foi repetido com incremento de
temperatura de 10°C, ou seja para as temperaturas 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC e
80oC, para o solo do Campo Experimental, e, para o solo da Cidade dos Meninos.
Durante todos os ensaios foram controlados além das pressões do topo/base,
a variação de volume, a temperatura da câmara e a temperatura de entrada e saída
de água na amostra.