Norges Bank
3. Solving the model
A tecnologia experimental implantada para a realização dos ensaios da curva de retenção vem de uma parceria de pesquisa com a University of Colorado, nos Estados
46
Unidos, na pessoa do professor Dobroslav Znidarcic. Tal trabalho de cooperação teve um precedente no Brasil, com a dissertação de Botelho (2001), que mostrou a viabilidade do uso da bomba de fluxo para determinação de funções constitutivas de fluxo em solos, principalmente adensamento, mas também a curva de retenção com a tecnologia da época (MANNA et al, 1993).
No projeto atual foi investigada a técnica denominada de “Maintained Suction Measurement” de Lee (2011), buscando-se verificar sua aplicabilidade em produtos da indústria mineral. Montou-se para tanto uma estrutura necessária para fazer os ensaios de curva de retenção de água no solo, como mostra a Figura 3.6.
47
Equipamento e sistema de automação 3.6.1
A bomba de fluxo usada nos experimentos foi o modelo PHD 4400, fabricado pela Harvard Apparatus Company, e a câmara triaxial da Humboldt® modelo HM-4199B, ilustradas na Figura 3.7.
Figura 3.7: (a) Bomba de fluxo da Harvard Apparatus Company e (b) CâmaraTriaxial Humboldt®.
Para medida de sucção foi usado um transdutor diferencial de pressão modelo P55 Compact produzido pela Validyne Engineering conectado a um sistema de aquisição de dados.
O ensaio da curva de retenção pelo método de Lee (2011) exige certo nível de automação, que é possível graças à capacidade de comunicação da bomba de fluxo e a um sistema supervisório desenvolvido especialmente para o LabVIEW 2010 dentro deste projeto. A bomba possui conector de entrada/saída (I/O), e se construiu uma placa eletrônica de circuito impresso com relés para interface de envio e comandos, e foi adquirida uma placa de aquisição de dados, a myDAQ, da National Instruments.
48
O sistema supervisório implantado, o VI (Virtual Instrument – aplicativo desenvolvido em LabVIEW), lê o sensor de pressão, grava os dados em um histórico e, com base na aquisição em tempo real, envia à saída da placa de aquisição comandos para ligar e desligar a bomba, bem como definir seu sentido (infusão ou retirada de água). Como o comando da bomba pela I/O disponível se dá por meio de footswitches, ou seja, é necessário “fechar contatos” para que a bomba receba os comandos de acionamento e reversão, foi desenvolvido um circuito com dois relés, um para ligar e desligar a bomba, e um segundo relé para definir o sentido, de modo que o sinal de saída da placa de aquisição pudesse realizar a comutação do relé, e o relé fizesse o “papel” de fechar os contatos para controlar a bomba. Dessa forma, tornou-se possível a interface da placa de aquisição com a bomba, de acordo com a proposta de um controle liga/desliga (on/off) por histerese em malha fechada, necessário para que o ensaio fosse realizado com êxito. A Figura 3.8 ilustra as placas usadas para comunicação entre a bomba e o VI e a Figura 3.9 mostra uma tela do (VI).
49
Figura 3.9: Imagem vista na tela do computador do programa de controle (VI).
Para que a comunicação entre a bomba e o VI não tivesse nenhuma interferência, a bomba e o sistema de aquisição de dados foram ligados a no breaks para que qualquer eventual oscilação de energia ou a falta desta o sistema não entrasse em conflito.
Rotina de ensaio 3.6.2
Para iniciar o ensaio, dois aspectos preliminares devem ser atendidos, como explicado anteriormente. O primeiro deles é que o corpo de prova e o sistema devem estar totalmente saturados, certificado pelo teste do parâmetro B. O segundo é a definição da velocidade de ensaio (vazão da bomba de fluxo) que deve ter como referência o ksat do corpo de prova.
Com os pré-requisitos acima atendidos, a bomba de fluxo é ligada e inicia-se o processo de retirada de água do corpo de prova através da base. No início a água removida serve para drenar a linha (tubulação) entre o topo do corpo de prova e um dos reservatórios de contrapressão. A remoção completa inclui também a água que preenche os vazios da pedra porosa que está sobre o corpo de prova. Após a bomba retirar toda a água contida no sistema de drenagem de topo, qualquer água adicional que sai do sistema será então do corpo de prova, iniciando propriamente o ensaio da curva de
50
retenção, com o ar começando a entrar ar nos vazios do corpo de prova. Percebe-se uma maior resistência ao fluxo pela elevação da medida de sucção pelo transdutor diferencial.
Seguindo o procedimento de Lee (2011), com a continuidade do ensaio, a retirada de água do corpo de prova produz aumento gradual na sucção até que se atinjam os valores alvos, quando então a bomba desliga-se automaticamente para que se inicie o processo de equilíbrio hidráulico, explicado no item 2.3.2. Na atual implantação a diferença entre a sucção alvo e a sucção limite foi estabelecida em 2 kPa (e não 1 kPa) devido a limitações do sistema de controle (relé analógico). As sucções alvo da instalação atual estão limitadas a quatro pontos da curva na etapa de drenagem. A inversão para o modo de injeção de água no corpo de prova também é feita automaticamente e mais quatro pontos da curva no ciclo de infiltração podem ser obtidos. Os valores da sucção alvo são definidos pelo usuário dentro da faixa de interesse, observando as limitações do sistema (pressão de entrada de ar da pedra cerâmica, diafragma do transdutor diferencial, e número de sucções alvo).
Manipulação e análise dos dados experimentais 3.6.3
A manipulação e análise dos resultados para obter os pontos experimentais da curva de retenção segue praticamente o procedimento de Lee (2011), descrito no item 2.3.2.
O ajuste dos pontos obtidos no ensaio foi feito utilizando o programa Soil Water Retention Curve (SWRC), versão 3.00 Beta (DOURADO NETO et al., 2001). Nele pode-se obter a curva de retenção de água no solo a partir de modelos matemáticos de vários autores.
51
Depois da seleção do modelo desejado, o programa permite escolher se os parâmetros de cada modelo serão independentes ou não (quando possível), e para os teores de umidade volumétrico (saturado ou na sucção nula, caso de infiltração) e residual impô-los manualmente, fixando seus valores como limites, ou obtê-los através de regressão.
Os modelos usados neste trabalho foram o de Brooks e Corey (1964), entrando com os valores limites de teores de umidade volumétrico saturado e residual, e o modelo de van Genuchten (1980), impondo os valores do teor de umidade volumétrico saturado e na sucção nula na etapa de infiltração manualmente e o teor de umidade volumétrico residual por regressão e manualmente. Os parâmetros n’ e m do modelo de van Genuchten (1980) foram obtidos por regressão de forma dependentes e independentes.
Velocidade de ensaio: testes 3.6.4
O critério para a escolha da vazão da bomba utilizada no ensaio leva em consideração a permeabilidade saturada do material para otimizar o tempo de ensaio, fator este que torna essa técnica mais vantajosa em relação às outras, como explicado na Figura 2.9. A vazão da bomba usada neste ensaio foi de 0,12 ml/min, valor correspondente ao dobro do ksat do material, determinado antes de iniciar o ensaio da
curva de retenção de água no solo.
Pôde-se observar em alguns testes que usar uma velocidade abaixo ou igual ao valor do ksat faz com que a sucção do corpo de prova não chegue ao valor limite na primeira
vez que a bomba é desligada, ou seja, o equilíbrio praticamente já existe, e, portanto a espera de 5000 s seria desnecessária, além de tornar o ensaio mais demorado. A Figura 3.10 mostra um gráfico obtido em um ensaio teste em que a vazão da bomba era menor que o ksat do corpo de prova e o resultado permite entender que no primeiro estágio o
52
seguinte, vê-se que a equalização acontece, significando que a vazão constante imposta no ensaio para esses outros níveis de sucção é maior do que a permeabilidade hidráulica não saturada desses níveis de sucção.
53