Aula 8- Caracterização dos solos finos-Limites de Consistência

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Limites de Consistência dos Solos
Prof. Murilo Torres
Classificação dos solos finos
1. Introdução
2. Plasticidade do Solo
2.1 Conceito
2.2 Plasticidade e Umidade
2.3 Composição Mineral das Argilas
2.4 Argilo-Minerais
3. Estados de Consistência
3.1 Limites de Atterberg
3.2 Limites de Consistência
3.3 Limite de Liquidez
3.4 Limite de Plasticidade
3.5 Gráfico de Plasticidade
3.6 Limite de Contração
3.7 Índice de Consistência
3.8 Atividade das Argilas
Estudo e caracterização
Da parte fina dos solos
Introdução
Os solos finos (frações silte e argila), necessitam de maiores estudos devido a natureza diversa de sua mineralogia, apresentando, assim, comportamentos diferentes.
Análise somente por ensaio de granulometria não é suficientemente adequada para compreender seu comportamneto.
Necessita-se outros parâmetros como:
1- forma das partículas
2- a composição mineralógica e química
3- as propriedades plásticas, relacionados com o teor de umidade, que não se observa na fração areia.
Introdução
Experiências realizadas por Atterberg, Terzaghi e Goldschmidt mostraram que a plasticidade dos solos é devida à composição mineralógica (presença dos filossilicatos) e às cargas elétricas existentes nas partículas laminares dos filossilicatos, que influenciam na sua estrutura.
Os filossilicatos são exclusivos da fração argila do solo. Portanto as propriedades da fração fina do solo é essencialmente controlada por eles.
Os filossilicatos constituem um grupo de minerais que se apresentam sob a forma de folhas (aula argilominerais), folhas tetraédricas e octaédricas, umas obre as outras unidas por ligações principalmente covalentes.
E, a partir e, em função da presença desses filossilicatos o comportamento mecânico dos solos é totalmente diferente.
Introdução
Faz-se imperativo haver um entendimento para saber diferenciar a fração argila dos minerais constituintes da fração argila. Isto é devido pois, os filossilicatos do solo são denominados comumente de argilominerais.
Os termos argilomineral e fração argila, podem gerar confusão devido a uma falta de definição ou definição vaga.
I- Fração argila: Intervalo granulométrico entre 0,0002 a 0,002mm
II- Argilomineral: Minerais que fazem parte da fração argila.
Principais minerais da fração argila:
Esmectita (filossilicato 2:1 ou argilomineral 2:1)
Caolinita (filossilicato 1:1 ou argilomineral 1:1)
Óxidos e hidróxidos de ferro (hematita e goethita)
Hidróxidos de Al (Gibsita)
Quartzo 
Ocorrem somente na fração argila,
Ou seja, são exclusivos da fração argila
Do solo.
Óxi-hidróxidos de Fe e Al
Aluminossilicatos
Argilominerais 1:1 e 2:1
Quartzo
 Argila
0,002
(mm)
Filossilicatos
Argilominerais
 1:1 e 2:1
Introdução
Fração Argila:
Partículas Ø < 0,002 mm (NBR 7250);
Em contato com a água adquire plasticidade;
Não é constituída apenas por partículas que apresentam plasticidade;
Constituída por diversos tipos de partículas (tabela)
Introdução
Tabela – Classificação dos compostos da fração argila em função do tipo de partícula:
A plasticidade de um solo é devido exclusivamente aos argilominerais 2:1 e 1:1 (filossilicatos), às micas e ao húmus (matéria orgânica decomposta) existentes.
Os minerais não argílicos apresentam ausência de plasticidade.
Caolinita + esmectita
Mais comuns
de ocorrer 
Introdução
III- Filossilicato: Constiuem os minerais laminares ou planares que ocorrem somente na fração argila. 
Os filossilicatos podem ser denominados genericamente de argilomonerais.
Basicamente existem dois tipos mais comuns de filossilicatos ou argilominerais;
1- Filossilicatos (2:1) ou argilominerais (2:1) TOT
Apresentam duas camadas Tetraédricas de Silício (Si) e uma camada Octaédrica de Alumínio (Al).
Ex: Esmectitas, ilitas.
2- Filossilicatos (1:1) ou argilominerais (1:1) TO
Apresentam uma camada Tetraédrica de Silício (Si) e uma camada Octaédrica de Alumínio (Al).
Ex: Caolinitas.
Introdução
Experiências realizadas por Atterberg, Terzaghi e Goldschmidt mostraram que a plasticidade e a expansividade dos solos é devida às cargas elétricas existentes nas partículas laminares de argila, que influenciam na sua estrutura.
As cargas elétricas existentes nos argilominerais promovem uma retenção de moléculas de água, tanto na superfície dos argilominerais (adsovidas) quanto dentro ou aprisionado nos argilominerais (inclusas), no local chamado de cavidades siloxanas. 
A retenção de água diminui a permeabilidade do solo, pois a água fica retida, ocorrendo pouca ou lenta movimentação.
A presença de água aumenta a plasticidade do solo. Quanto mais água retida maior será a plasticidade do solo.
1- Natureza das cargas elétricas nos filossilicatos (At ou A ou T ou CTC ou CEC) 
Como estas cargas elétricas são geradas:
Substituição no Sítio Tetraédrico dos filossilicatos:
Substituição isomórfica heterovalente ocorre principalmente no sítio Tetraédrico (T), onde o Al+3 entra na estrutura ocupando espaço do Si+4, gerando assim uma deficiência de carga.
Substituição no Sítio Octaédrico dos filossilicatos:
Substituição isomórfica heterovalente ocorre no sítio Octaédrico (O), onde o Fe+2 ou Mg+2 entra na estrutura ocupando espaço do Al+3, gerando assim uma deficiência de carga.
Este fenômeno químico promove uma substância sólida não estequiométrica, gerando cargas negativas ao redor da partícula, atraindo as moléculas de água que ficam adsorvidas na superfície da partícula atraída por estas cargas negativas. 
Introdução
2- Área Superficial Específica (ASE)
As partículas da fração argila apresentam uma área superficial específica muito maior que as outras frações do solo, aumentando assim a superfície de contato onde as moléculas de água ficam adsorvidas.
3- Expansividade dos argilominerais
Os argilominerais 2:1 dioctaédricos, ou seja, que apresentam dois octaedros ocupados por Al+3, no sítio octaédrico permitem a entrada física da molécula de água nas cavidades siloxanas e íons de K+ nas cavidades siloxanas , que promovem a expansão das camadas de Tetraedros e Octaedros, gerando um aumento de volume das partículas.
2- PLASTICIDADE DO SOLO
Para que a plasticidade possa manifestar-se em um solo é necessário que a forma de suas partículas finas permita que elas deslizem, umas por sobre outras, desde que haja quantidade suficiente de água para atuar como lubrificante.
A plasticidade ocorre entre os extremos:
1- onde a argila se apresenta seca (umidade muito baixa ou ausente)
2- onde a argila se apresenta com consistência de lama (umidade alta) 
Entre esses intervalos (seco e lama dos argilominerais) existe um intervalo de umidade para o qual a argila se comporta plasticamente.
O termo plasticidade é entendido, na Mecânica dos Solos, como:
1- Propriedade que um material apresenta de suportar deformações rápidas, sem variação volumétrica apreciável e sem haver fissuração.
2- Propriedade dos solos finos que consiste na maior ou menor capacidade de serem moldados sob certas condições de umidade.
2.1 CONCEITO DE PLASTICIDADE
Conceito de plasticidade (ABNT - NBR 7250/82):
“É a propriedade de solos finos, entre largos limites de umidade, de se submeterem a grandes deformações permanentes, sem sofrer ruptura, fissuramento ou variação de volume apreciável.”
2.1 CONCEITO DE PLASTICIDADE
Mineralogia dos solos e sua relação com a plasticidade. 
 1- Argilominerais (solos finos)
– Partículas que favorecem a plasticidade dos solos.
 2- quartzo e o feldspato (solos arenosos)
– Não desenvolvem misturas plásticas.
2.2 PLASTICIDADE E UMIDADE
Quanto de porcentagem de água (teor de umidade), em termos de maior teor de umidade na fração argila do solo, implica em menor resistência?
2.3 COMPOSIÇÃO MINERAL DAS ARGILAS
São silicatos hidratados de alumínio, que apresentam:
– Plasticidade
– Permuta catiônica
– Dimensões < 2 mícron
– Forma lamelar e alongada.
2.4 ARGILOMINERAIS (1:1)
Estruturas lamelares ou planares (forma de folhas) por isto chamados de Filossilicatos.
As ligações de hidrogênio são fracas, mas suficientemente fortes para evitarem a penetração da água entreas unidades estruturais.
Argilominerais 1(Si):1(Al), significa dizer que para uma camada tetraédrica de Si, existe uma camada octaédrica de Al.
O argilomineral 1:1 mais comum nos solos 
é a caolinita.
A caolinita é um argilomineral dioctaédrico:
 O T
 Al2Si2O5(OH)4 
(SiO4)-4
T 
O 
2.4 ARGILOMINERAIS 1:1
As caolinitas apresentam:
1- pequena expansividade
2- difícil dispersão na água
3- baixa plasticidade
2.4 ARGILOMINERAIS 2:1
Argilominerais 2(Si):1(Al), significa dizer que para uma camada tetraédrica de Si, existe uma camada octaédrica de Al.
O argilomineral 2:1 mais comum nos solos é a esmectita ou montmorilonita.
A esmectita é um argilomineral dioctaédrico:
 O 2T
 Al2Si4O10(OH)2
(SiO4)-4
T 
O 
T 
2.4 ARGILOMINERAIS 2:1
Possuem grande capacidade de adsorção de água e de permuta catiônica, pois possuem ligações quebradas e cargas negativas nas superfícies das unidades estruturais.
Como a água penetra com grande facilidade entre as camadas estruturais, as montmorilonitas possuem:
1- Fácil dispersão na água.
2- Grande expansividade.
3- Alta plasticidade.
Caracterização da Plasticidade do Solo
Consistência
Consistência é uma propriedade dos solos que reflete as forças de coesão e de aderência (adesão), presentes nos solos sob diferentes graus de umidade. 
Coesão: consiste na força de atração na interface líquido-líquido, ocorrendo entre partículas sólidas revestidas de películas líquidas, sendo proporcional à tensão superficial do líquido, e inversamente proporcional ao diâmetro das partículas sólidas (RANZANI, 1969).
Aderência ou adesão: Consiste na força de atração na interface sólido-líquido, ocorrendo entre partículas sólidas, quando algumas estão revestidas por películas líquidas e outras não, ou entre partículas sólidas revestidas por películas líquidas e a superfície seca de objetos estranhos a solo.
Caracterização da Plasticidade do Solo
A massa do solo, quando molhada, seca ou úmida, apresenta diferentes resistências quando manuseada, resultantes da atração entre as partículas sólidas revestidas, ou não, por películas líquidas.
A consistência é definida a partir da avaliação de amostras de solo em estado úmido, molhado e seco.
Caracterização da Plasticidade do Solo
O manuseio das amostras molhadas permite determinar a plasticidade e pegajosidade (ou aderência). 
O solo com grande plasticidade é aquele que permite o seu modelamento em rolos finos e sua compressão, sem que haja ruptura; enquanto os solos não plásticos serão aqueles que esfarelam-se ao serem modelados, ocorrendo os estados intermediários (ligeiramente plástico e plástico).
 A pegajosidade é definida pelo grau de aderência do material ao ser comprimido entre os dedos polegar e indicador. 
Ao se afastar os dedos percebe-se a maior ou menor resistência do material comprimido, caracterizando amostras não pegajosas, ligeiramente pegajosas, pegajosas ou muito pegajosas.
Caracterização da Plasticidade do Solo
Para o solo úmido observa-se a friabilidade, que caracteriza a facilidade de ruptura da massa ao ser comprimida, definindo-se consistências soltas, friáveis e firmes.
Finalmente, para o solo seco o parâmetro analisado é a tenacidade, que é a resistência da amostra ao se tentar esfarelá-la com os dedos. Definindo-se consistências entre macia, quando a amostra desfaz-se entre os dedos, e muito dura, quando a amostra resiste inteira à pressão.
Caracterização da Plasticidade do Solo
A consistência do solo tem implicações diretas em seu manejo. 
Solos muito plásticos e pegajosos só podem ser trabalhados em amplitude estreita de umidade. Já os solos de boa friabilidade apresentam boas condições para aração.
RESENDE et al. (2002) observam que a fração argila exerce um importante controle na consistência, pois quanto mais argiloso o solo, maior a expressão das forças de coesão e adesão. Altos teores de silte e areia muito fina também exercem controles importantes, favorecendo o encrostamento da superfície.
3. ESTADOS DE CONSISTÊNCIA
Os limites de consistência são baseados no conceito de que um solo constituído por partículas de pequeno tamanho pode se situar em qualquer dos 4 estados:
sólido, semi - sólido, plástico e líquido, dependendo da sua umidade.
Um solo se apresenta:
I- No estado sólido ele não há variação volumétrica.
II- No estado semi–sólido, já com características sólidas, o solo ainda apresenta retração ao secamento.
III- No estado plástico, ele se apresenta com característica moldável.
IV- No estado líquido quando tem a aparência fluida, ou de lama, desaparecendo todo e qualquer grau de coesão.
3. ESTADOS DE CONSISTÊNCIA
As respectivas umidades que definem a passagem de um estado de consistência para outro, são chamadas de limite de consistência.
Consistência:
 Grau de resistência e plasticidade do solo que dependem das ligações internas entre as partículas do solo.
3. ESTADOS DE CONSISTÊNCIA
Solos coesivos possuem:
1- uma consistência plástica entre certos teores limites de umidade.
2- abaixo destes teores eles apresentam uma consistência sólida.
3- acima uma consistência líquida.
4- e ainda, uma consistência semi-sólida (entre plástica e sólida).
3. ESTADOS DE CONSISTÊNCIA
Albert Atterberg
Os solos finos apresentam variações de estado de consistência em função do teor de umidade (w).
Limites de Atterberg (limites de consistência)
“teores de umidade limite para tipos de solos”.
A presença de água nos solos finos pode afetar significativamente o comportamento de engenharia, portanto, são necessários índices de referência que evidenciem esses efeitos.
Portanto utiliza-se o teor de umidade (W %wt)
 x 100
3.1 LIMITES DE ATTERBERG
G
G
G
3.1 LIMITES DE ATTERBERG
Os teores de umidade correspondentes aos limites de consistência entre:
Sólido e semi-sólido Limite de Contração (LC)
Semi-sólido e plástico Limite de Plasticidade (LP)
Plástico e líquido Limite de Liquidez (LL)
3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL)
Atterberg definiu o limite de liquidez (LL) em termos de uma técnica de laboratório que consiste em colocar o solos misturado com água em uma concha, fazendo no solo uma ranhura.
Em seguida, a concha é golpeada contra uma superfície dura até fechar a ranhura num determinado comprimento.
O solo tem a umidade correspondente ao limite quando as bordas inferiores da ranhura se tocam, num determinado comprimento, após um certo números de golpes.
A necessidade de normalizar o processo para a determinação do limite de liquidez levou Casagrande a elaborar um aparelho que pudesse ser utilizado em todos os laboratórios, de uma maneira padronizada, minimizando a influência do operador sobre o resultado obtido, este aparelho leva o nome de “APARELHO DE CASAGRANDE”.
3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL)
São colocados 70g de solo, que passa na peneira com abertura igual a
0.42 mm, homogeneizada com água até formar uma pasta, na calota do
aparelho.
Com o cinzel abri-se uma ranhura no centro da calota. Gira-se a alavanca na velocidade de 2 revoluções por segundo, conta-se o números de golpes da calota, necessários para obter-se o fechamento da ranhura em 1 cm entre as paredes inferiores.
Convém na 1ª determinação com a pasta que sejam necessárias mais de 25 golpes para o fechamento da ranhura.
Antes do ensaio
Após ensaio
3.3 LIMITE DE LIQUIDEZ (LL)
Acrescentando-se água ao solo repete-se o processo anterior pelo menos 3 vezes.
Dessa maneira resulta 4 pares de valores de umidade x n.º de golpes que,
colocadas no gráfico semi logarítmico com o n.º de golpes no eixo logarítmico, se alinham numa reta.
O limite de liquidez é então obtido como sendo a umidade correspondente a 25 golpes.
3.4 LIMITE DE PLASTICIDADE (LP)
Limite de Plasticidade (LP)
 O limite de plasticidade (LP) é determinado pelo cálculo da porcentagem da umidade para a qual o solo começa a se fratura quandose tentar moldar, com ele, um cilindro de 3mm de diâmetro e cerca de 10 cm de comprimento.
Quando o solo se encontra no estado plástico ele perde a capacidade de fluir conservando a sua forma e podendo ser facilmente moldado. 
Se ele continuar perdendo umidade, este estado desaparece até que, para um certo valor denominado Limite de Plasticidade (LP), o solo se desmancha ao ser trabalhado: é o estado semi-sólido.
3.4 LIMITE DE PLASTICIDADE (LP)
O ensaio deste limite é determinado pela ABNT NBR 7180, que regulamenta o cálculo do teor de umidade para o qual o solo começa a se fraturar quando se tenta moldá-lo na forma de uma amostra cilíndrica de 3 mm de diâmetro. 
A amostra é rolada com a mão, em um movimento de vaivém, sobre uma placa de vidro fosco, e a umidade correspondente ao início do fraturamento calculada.
Normalmente, são realizadas três medidas de umidade para a determinação do LP com o mesmo solo fissurado. Outras dimensões do cilindro comparativo também podem ser utilizadas nesse ensaio.
3.4 LIMITE DE PLASTICIDADE (LP)
Para determinação do LP são usados 50,0g de material passando na peneira com abertura igual a 0.42 mm.
Desse material homogeneizando com água até adquirir característica plástica, toma-se cerca de 15,0g e sobre uma placa de vidro.
 Pequenos cilindros de solo com 3 mm de diâmetro e cerca de 10 centímetros de comprimento, feitos através da fricção sobre uma placa de vidro fosco, rolando o solo entre a mão e a placa de vidro até que o cilindro apresente as primeiras fissuras.
3.4 LIMITE DE PLASTICIDADE (LP)
A umidade desse material é definida com limite de plasticidade do solo ensaiado. Repete-se pelo menos 2 vezes o processo para obter-se o valor médio.
Cilindro de comparação de 3 mm de diâmetro e cerca de 10 cm de comprimento;
Para que serve os valores de umidade dos LL e LP.
O significado prático da determinação dos Limites de Plasticidade (LP) e de Liquidez (LL) reside na sua aptidão em refletir os tipos e quantidades de minerais de argila existentes na fração fina de um solo.
A partir dos valores de umidade dos LL e LP pode-se determinar o Índice de Plasticidade (IP).
IP = LL – LP
Índice de Plasticidade (IP)
A diferença entre a umidade do Limite de Liquidez e o de Plasticidade indica a faixa de valores em que o solo se apresenta plástico, é definida como Índice de Plasticidade (IP) do solo.
 IP = LL – LP
O IP Indica a quantidade de água que deve ser acrescentada ao solo (com consistência inicial no Limite de Plasticidade) para levá-lo ao estado líquido (Limite de Liquidez)
O IP define a zona em que o terreno se acha no estado plástico por ser máximo para as argilas e nulo (mínimo) para as areias.
O Índice de Plasticidade (IP) determina a condição plástica da argila.
Índice de Plasticidade (IP)
O IP fornece um critério para determinar o caráter argiloso de um solo.
Quanto maior o IP, tanto mais plástico será o solo.
Quando material não tem plasticidade (areia), considera-se o IP nulo, escreve-se
 
 IP = NP ( não plástico) 
Índice de Plasticidade (IP)
Os solos costumam ser tanto mais compressíveis quanto maior seu LL.
 O IP permite comparar a compressibilidade entre tipos diferentes de solo.
3.7 ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA (IC)
Estado das argilas – Consistência
Quando se manuseia uma argila esta apresenta uma consistência, ao contrário das areias que se desmancham facilmente. Por esta característica, o estado em que se encontra uma argila costuma ser indicado pela resistência que ela apresenta.
A determinação da consistência de uma argila pode ser determinado através de um ensaio de compressão simples.
O ensaio consiste na ruptura por compressão de um corpo de prova de argila, geralmente cilíndrico.
A carga (pressão) que leva o corpo de prova à ruptura, dividida pela área deste corpo é denominada de resistência à compressão simples da argila.
3.7 ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA (IC)
Indica a consistência do solo no estado em que se encontra em campo e permite estimar a resistência do mesmo.
3.8- Atividade das Argilas (At)
Os índices de Atterberg indicam a influência dos solos finos argilosos no comportamento do solo.
Alguns solos com elevados teores de argila podem apresentar índices de consistência mais baixos do que aqueles com pequenos teores de argila.
Isto pode ocorrer porque a composição mineralógica dos argilominerais é bastante variável.
Baixos teores de argila e elevados índices de consistência indicam que a argila é de atividade (CTC) muito elevada. 
3.8- Atividade das Argilas (At)
Como a constituição mineralógica dos argilominerais é bastante variada, pode acontecer que em determinado tipo de solo os valores dos índices de consistência sejam elevados enquanto o teor de argila presente é baixo. Quando isso ocorre, diz-se que a argila é muito ativa.
IP é o índice de Plasticidade e o termo % < 0,002 mm representa a percentagem de partícula com diâmetro inferior a 2μm presente no solo.
3.8- Atividade das Argilas (At)
O coeficiente denominado “Atividade das Argilas” exprime uma grandeza relativa às forças de superfície entre partículas de um solo e de acordo com os tipos de minerais de argila presentes estes podem ser classificados como:
 Argilas inativas – At < 0,75 (caolinitas)
 Argilas normals – 0,75 < At < 1,25 (illitas)
 Argilas ativas – At > 1,25 (esmectitas)