Análise Granulométrica por Peneiramento e Sedimentação

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DA PARAÍBA – CAMPUS VIII
CENTRO DE CIÊNCIAS, TECNOLOGIA E SAÚDE - CCTS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
DISCIPLINA: MECÂNICA DOS SOLOS EXPERIMENTAL I
DOCENTE: MARIA DAS VITÓRIAS DO NASCIMENTO
DISCENTE: JOSÉ ANDERSON DOS SANTOS
Análise Granulométrica por Peneiramento e Sedimentação
Araruna – PB, Novembro de 2017
ÍNDICE
 INTRODUÇÃO 
O solo é um material solto, natural da crosta terrestre, que pode ser escavado sem o auxílio de explosivos, e tem origem na desintegração e decomposição das rochas pela ação do intemperismo. É bastante usado como material de construção e de fundação de obras. De acordo com sua origem, o solo pode ser classificados em residuais e transportados; possuindo também características que os diferem de acordo com o tipo de composição química e mineralógica, na qual o solo pode ser grosso ou fino. 
A granulometria é a distribuição em percentagem dos diversos tamanhos de grãos. Permite distinguir tipos de texturas diferentes, definindo aquelas que predominam em cada tipo de material. A distribuição granulométrica pode ser obtida pelo método de peneiramento ou por uma combinação de peneiramento e sedimentação. 
O ensaio de peneiramento é utilizado principalmente para a determinação das frações mais grossas da amostra como o pedregulho e as areias. O ensaio de sedimentação é utilizado para determinar a granulometria de solos compostos de materiais finos, como as argilas. 
A determinação da granulometria do solo, no ensaio de sedimentação, é baseada na Lei de Stokes. Essa lei relaciona o tamanho da partícula com a velocidade com que ela sedimenta em um meio líquido. Dessa forma, quanto maior a partícula, mais rapidamente ela irá se depositar no fundo da proveta de ensaio. Para se entender o processo de sedimentação, analisa-se a Lei de Stokes, que estabelece a velocidade limite alcançada por uma esfera em queda livre num meio viscoso, ao alcançar o movimento retilíneo uniforme.
 
 Objetivos 
O objetivo desse ensaio é obter a análise e curva granulométrica com base na combinação dos ensaios por granulometria e sedimentação, e classificar o solo.
 Revisão Bibliográfica
Todos os solos, em sua fase sólida, contêm partículas de diferentes tamanhos. A determinação do tamanho das partículas e suas respectivas porcentagens de ocorrência permitem obter a distribuição granulométrica do solo. Os solos recebem designações segundo as dimensões das partículas compreendidas entre determinados limites convencionais. O ensaio de análise granulométrica do solo está normalizado pela DNER-ME 080/94, e pode ser feita somente por peneiramento e o ensaio de análise granulométrica por sedimentação normalizado pela DNER-ME 051/94.
ENSAIO DE PENEIRAMENTO
O processo de peneiramento consiste na separação dos sólidos, de um solo, em diversas frações. A análise por peneiramento tem como limitação da abertura da malha das peneiras, que não pode ser tão pequena quanto o diâmetro de interesse. A menor peneira geralmente é de nº 200, cuja abertura é de 0,075mm. Existem peneiras mais finas para estudos especiais, mas são poucos resistentes e por isto não são usadas frequentemente como as demais peneiras. A abertura das peneiras deve ser da maior para a menor. Os números das peneiras no padrão americano e o tamanho das aberturas são mostrados na tabela 1.
Tabela 1: Tamanho das peneiras segundo padrão americano.
	Nº da peneira
	Abertura (mm)
	
	Nº da peneira
	Abertura (mm)
	4
	4,750
	
	35
	0,500
	5
	4,000
	
	40
	0,425
	6
	3,350
	
	50
	0,355
	7
	2,800
	
	60
	0,250
	8
	2,360
	
	70
	0,212
	10
	2,000
	
	80
	0,180
	12
	1,700
	
	100
	0,150
	14
	1,400
	
	120
	0,125
	16
	1,180
	
	140
	0,106
	18
	1,000
	
	170
	0,090
	20
	0,850
	
	200
	0,075
	25
	0,710
	
	270
	0,053
	30
	0,600
	
	 
	 
Para fazer a análise granulométrica do solo, deve-se determinar a massa de solo que passa em cada peneira. Em seguida, determina-se a massa total do solo seca, que é dada por:
 [1]
Tendo, Mt massa da amostra seca ao ar, Mg a massa e h a umidade higroscópica do material seco retido na peneira de 2,00 mm
A porcentagem do material que passa nas peneiras de 50, 38,25, 19, 9,5, 4,8, 2,38 e 2,0 mm é definida por:
 [2]
Onde:
Qg: Porcentagem do material que passa em cada peneira;
Mi: Massa do material retido acumulado em cada peneira, em (g);
Ms: Massa total da amostra seca, em (g); que é dada por:
Para o material passante nas peneiras de 1,2, 0,6, 0,42, 0,29, 0,15 e 0,074 mm, a porcentagem é dada por:
 [3]
Tendo:
Qf: Porcentagem do material que passa em cada peneira;
Mh: Massa do material úmido submetido ao peneiramento em cada peneira, em (g);
h: a umidade higroscópica do material seco retido na peneira de 2,00 mm
Mi: Massa do material retido acumulado em cada peneira, em (g);
N: Porcentagem do material que passa na peneira de 2,00 mm;
ENSAIO DE SEDIMENTAÇÃO
Os solos muito finos, com granulometria inferior a 0,074mm, são tratados de forma diferenciada, através do ensaio de sedimentação desenvolvido por Arthur Casagrande. Este ensaio se baseia na Lei de Stokes, segundo a qual a velocidade limite atingida por uma partícula esférica durante a queda VL, em um meio viscoso infinito, é proporcional ao quadrado do diâmetro da partícula. Sendo assim, as menores partículas se sedimentam mais lentamente que as partículas maiores.
O ensaio de sedimentação é realizado medindo−se a densidade de uma suspensão de solo em água, no decorrer do tempo, calcula−se a percentagem de partículas que ainda não sedimentaram e a velocidade de queda destas partículas. Com o uso da lei de Stokes, pode−se inferir o diâmetro máximo das partículas ainda em suspensão, de modo que com estes dados, a curva granulométrica é completada.
Obtêm-se a velocidade limite (VL), através da seguinte equação:
 [4]
No qual:
VL: Velocidade limite da esfera;
δg: massa especifica dos grãos do solo, em g/cm3;
δd: massa especifica do meio dispersor á temperatura do ensaio, em g/cm3;
η: Coeficiente relacionado com a viscosidade do meio dispersor, à temperatura de ensaio, em g, s/cm2;
D: Diâmetro das partículas em mm;
Como a velocidade da esfera (ou partícula) é igual a razão entre da altura de queda da esfera pelo tempo de sedimentação dessa Isolando D na equação [1], tem-se que:
 [5]
Onde: 
Z : Altura de queda das partículas, em cm;
T: Tempo de sedimentação, em s;
A porcentagem do material suspenso no ensaio de sedimentação é dada por:
 [6]
Qs: Porcentagem do material em suspensão no instante da leitura do densímetro;
N: Porcentagem da amostra total que passa na peneira de 2,0 mm;
δg: massa especifica dos grãos do solo, em g/cm3;
δd: massa especifica do meio dispersor á temperatura do ensaio, em g/cm3;
V: volume em suspensão, em cm35
δc: massa especifica da água na temperatura de calibração do densímetro (20º), em g/cm3;
L: Leitura do densímetro na suspensão
Ld : Leitura do densímetro no meio dispersor na temperatura do ensaio.
Ms: massa total da amostra seca, e pode ser obtida pela divisão massa da amostra úmida (Mh) por 100 mais a umidade higroscópica do material (h):
 
O índice de plasticidade dos solos deve ser obtido utilizando a expressão:
IP = LL – LP 				[6]
onde: 
IP = índice de plasticidade
LL = limite de liquidez
LP = limite de plasticidade
O resultado final deve ser expresso em porcentagem. Quando não for possível determinar o limite de liquidez ou o limite deplasticidade, anotar o índice de plasticidade como NP (não plástico).
Tabela 4: Classificação do solo pelo índice de plasticidade
	Classe
	Índice de Plasticidade
	Classificação
	1
	Menor que 1
	Não plástico
	2
	1-7
	Levemente plástico
	3
	7-17
	Moderadamente plástico
	4
	17-35
	Altamente plástico
	5
	Maior que 35
	Extremamente plástico
 Materiais e Métodos 
 Materiais
Série de peneiras
Balança de resolução 0,01g
Cápsulas 
Estufa
Agitador mecânico e dispersor elétrico
Provetas graduadas
Densímetro graduado de bulbo simétrico
Hexametafosfato de sódio
Carbonato de sódio
Béquer
Amostra de solo
Água destilada e água tratada
Termômetro
Cronômetro 
 Métodos
	Preparação da Amostra
Primeiramente o solo foi recolhido na natureza e em seguida colocado para secar naturalmente até próximo da umidade higroscópica. Desmancharam-se os torrões, evitando a quebra dos grãos, e homogeneizou-se a amostra. Com o repartidor ou pelo quarteamento, reduziu-se a quantidade de material até se obter uma amostra representativa em quantidade suficiente para a realização do ensaio. Pesou-se 1000g do solo homogenizado e passou na peneira 76 mm, para a realização do ensaio de granulometria. Passou o material na peneira 10 (2mm) e na 200 (0,074mm), reservando duas cápsulas do material que passou na #10 para a determinação do teor de umidade de acordo com a NBR 6457.
PENEIRAMENTO
Para a realização da prática utilizou-se o método de peneiramento através do agitador eletromagnético e peneiras redondas de aberturas variadas para a análise granulométrica.
Figura 1: Agitador Eletromagnético e peneiras redondas para análise granulométrica.
PENEIRAMENTO GROSSO
O peneiramento grosso foi realizado utilizando-se cerca de 100g de solo que ficou retida na peneira 10 (2,00mm), no momento da preparação da amostra, seguindo-se o seguinte procedimento:
Lavou-se o material na peneira 10 (2,00mm) e em seguida colocou em estufa;
O material foi peneirado com o auxilio do agitador mecânico, passando pelas peneiras 50,00; 38,00; 25,40; 19,10; 9,50; 4,80 e 2,00 mm, em que foram colocadas umas sobre as outras com as aberturas das malhas crescendo de baixo para cima;
Anotou-se o peso retido em cada peneira.
PENEIRAMENTO FINO
O peneiramento fino foi realizado utilizando-se cerca de 100g de solo que passa na peneira 10 (2,00mm) e ficou retido na 200 (0,074), no momento da preparação da amostra, seguindo-se o seguinte procedimento:
Inseriu o material na peneira 200 (0,075mm), lavando-o e em seguida colocando-o na estufa com temperatura de 105 a 110°C até a constância de massa;
Juntou-se e empilharam-se as peneiras de aberturas 2,0; 1,20; 0,84; 0,42; 0,25; 0,15 e 0,074mm, colocou o material seco no conjunto de peneiras e foi-se agitado o conjunto como descrito para o caso de peneiramento grosso. 
SEDIMENTAÇÃO
Após o peneiramento, do material passado na peneira de 2,0mm, tomou-se cerca de 120 g, pois o solo é arenoso ou siltoso, se o solo estudado fosse argiloso, seria utilizado 70g. Pesou-se esse material e anotou-se como Mh. 
Colocou-se em uma proveta aproximadamente 600ml de água destilada com 45,7g de hexametafosfato de sódio e 10g de carbonato de sódio (solução defloculante), até ficar homogêneo, em seguida completou com água destilada até a marca de 1000ml;
Retirou-se 125ml desta solução e completou uma proveta até chegar a 1000ml. A partir desta mistura, determina a temperatura em função da densidade do defloculante;
Determinou-se a correção do menisco, tomando certa quantidade de água destilada e colocando em uma proveta, em seguida mergulhou o densímetro na mesma;
Colocou-se 125ml de solução defloculante com 120g de solo em um béquer, deixando imerso por 12 horas, antes do início do ensaio;
Em seguida, colocou-se a mistura em um dispersor durante 15 minutos, para a desagregação das partículas;
O material foi transferido para uma proveta e completa até 1000ml com água destilada, agitando-a por 1 minuto;
Imediatamente, depois de terminada a agitação, colocou-se a proveta sobre a mesa, anotou-se a hora exata do início da sedimentação e mergulho-se cuidadosamente o densímetro da dispersão;
Efetuaram-se as leituras para os tempos determinados: 0,5, 1, 2, 4, 8, 15 e 30 minutos; 1, 2, 8 e 24 horas, a contar do início da sedimentação;
Cerca de 15 a 20 segundos antes de cada leitura, mergulhou-se lenta e cuidadosamente o densímetro na dispersão. Todas as leituras foram feitas na parte superior do menisco, com interpolação de 0,0002, após o densímetro ter ficado em equilíbrio. Assim que cada leitura foi efetuada, retirou-se o densímetro da dispersão e colocou-o numa proveta com água limpa, à mesma temperatura da dispersão.
Resultados e Discursões
Tabela 5: Dados obtidos na preparação da amostra
	Amostra Total Seca
	Umidade Higroscópica
	Amostra total úmida
	1500,00 g
	Cápsula nº 
	-
	Retida na peneira N° 10 (mg)
	30,88 g
	Peso bruto úmido
	192,27 g
	Passando na peneira nº 10 úmida
	1469,12 g
	Peso bruto seco
	191,20 g
	Água
	-
	Tara da cápsula
	142,27 g
	Passando na peneira nº 10 seca
	 1436,80 g 
	Peso da água
	1,07 g
	Amostra Total Seca
	1467,00 g 
	Peso do solo seco 
	 48,93 g
	
	
	Umidade Higroscópica (h)
	2,19 %
	
	
	Fator de Correção =100/(100+ h)
	0,978
Com o material retido na peneira nº 10 foi feito o peneiramento grosso e obtido os seguintes resultados, conforme a Tabela 6. Para calcular o material passante foi utilizada a Equação [2]:
Tabela 6: Resultados do peneiramento solo grosso
	Peneira
	Peneira (mm)
	Material Retido
	Material Passante
	
	
	Peso (g)
	% Amostra Total
	% Acumulada
	% Amostra Total
	3/8 pol
	9,5
	0,0 g
	0,0 %
	0,0 %
	100,00 %
	N° 4
	4,8
	2,15 g
	0,15 %
	0,15 %
	99,85 %
	N° 8
	2,4
	14,74 g
	1,00 %
	1,15 %
	98,85 %
	N° 10
	2,0
	9,83 g
	0,67 %
	1,82 %
	98,18 %
	Os dados obtidos do peneiramento fino são mostrados conforme a Tabela 7. O material passante é encontrado através da Equação [3].
Tabela 7: Resultados do peneiramento solo fino
	Peneira
	Peneira (mm)
	Material Retido
	Material Passante
	
	
	Peso (g)
	% Amostra Total
	% Acumulada
	% Amostra Total
	N° 30
	9,5
	0,0 g
	0,0 %
	0,0 %
	100,00 %
	N° 40
	4,8
	2,15 g
	0,15 %
	0,15 %
	99,85 %
	N° 50
	2,4
	14,74 g
	1,00 %
	1,15 %
	98,85 %
	N° 200
	2,0
	9,83 g
	0,67 %
	1,82 %
	98,18 %
	Através do ensaio de sedimentação foram obtidos os resultados mostrados na Tabela 8:
Tabela 8: Resultados do ensaio de Sedimentação
	Tempo (min)
	Leitura Densímetro (L)
	Temperatura (°C)
	Correção
	Leitura Corrigida (Lc)
	Altura de Queda (cm)
	% Passante
	Diâmetro Particulares (mm)
	0,5
	20
	25
	1
	21
	14,55
	46,81
	0,0752
	1
	20
	25
	1
	21
	14,55
	46,81
	0,0532
	2
	20
	25
	1
	21
	14,55
	46,81
	0,0376
	4
	20
	25
	1
	21
	10,4
	46,81
	0,0225
	8
	18
	25
	1
	19
	10,6
	42,35
	0,0160
	15
	17
	25
	1
	18
	10,75
	40,12
	0,0118
	30
	16
	25
	1
	17
	10,85
	37,89
	0,0084
	60
	15,5
	25
	1
	16,5
	10,9
	36,78
	0,0059
	120
	15
	25
	1
	16
	11
	35,67
	0,0042
	240
	15
	25
	1
	16
	11
	35,67
	0,0030
	480
	14
	25
	1
	15
	11,1
	33,44
	0,0021
	1500
	13
	25
	1
	14
	11,2
	31,21
	0,0012
G = 2,59 g/cm³
Ga = 1 g/cm³
n = 1,03E – 05 g.s/cm²
N = 95,79
Ps = 70
Fc = 0,978 
A partir dos ensaios de peneiramento grosso, peneiramento fino e sedimentação, foi possível traçar a curva granulométrica, mostrada no Gráfico 2.
Curva Granulométrica
Gráfico 2: Curva Granulométrica dos ensaios de peneiramento grosso, peneiramento fino e sedimentação. 
Dado que o Limite de Liquidez é 25% e o Limite de Plasticidade é 18,3 , através da Equação [6], tem-se o Índice de Plasticidade igual a 6,7%, classificando o solo como levemente plástico de acordo com a Tabela 4.
	
Conclusões
Com base nosresultados obtidos por meio do ensaio de peneiramento e sedimentação, foi possível fazer a classificação do solo, permitindo a determinação da porcentagem de pedregulho, areia e silte+argila e possibilitando encontrar o coeficiente de curvatura e coeficiente de uniformidade da amostra, classificando assim a mesma com maior porcentagem de areia siltosa, que possui seus grãos com não uniformidade e mal graduados. Esses ensaios são importantes, porque de acordo com essas classificações é possível observar a variação granulométrica do solo e estudar o comportamento quando aplicado cargas sobre o mesmo.
Bibliografia
DNER - DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. Solos – Determinação do limite de liquidez – DNER-ME 122/94 
DNER - DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. Solos – determinação do limite de plasticidade DNER-ME 084/94. 
DNER - DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. Solos – Análise Granulmétrica – DNER-ME 051/94 
DNER - DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. Solos – Análise Granulmétrica por Peneiramento – DNER-ME 080/94 
DAS, Brajas M. Fundamentos de Engenharia Geotécnica. 7ª ed. São Paulo Pioneira – Cengage Learning, 2012.
ORTIGÃO, J. A. R. Introdução à Mecânica dos Solos dos Estados Críticos. 1. Ed. Rio de Janeiro: LTC Editores, 1993.
CAPUTO, Homero Pinto. Mecânica dos solos e suas aplicações: Fundamentos. 6. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1998. 2 v.