Equipamentos de Compactação 101 — A Mecânica da Compactação do Solo por Vibração e Carga Repetida

Ao contrário de outras máquinas de construção — que escavam, transportam ou empilham — os equipamentos de compactação são máquinas que "alteram o solo ou o material de pavimentação sem movê-lo". Um rolo ou placa aplica carga repetida ao solo, comprimindo o ar entre as partículas, aumentando a densidade para incrementar a resistência, a capacidade de suporte e a durabilidade. É um processo pouco glamoroso, mas a compactação insuficiente de um subleito ou aterro sempre se manifesta posteriormente, na forma de recalque ou trilhas de roda.

Ao contrário de outras máquinas de construção — que escavam, transportam ou empilham —, os equipamentos de compactação "altera o solo ou o material de pavimentação sem movê-lo".

Um rolo compactador vibratório em serviço

Imagem: CAT CS563E (Alexandre Prevot, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Não se trata dos modelos específicos da Sakai Heavy Industries ou da Mikasa Sangyo discutidos no texto — trata-se de um exemplo representativo do layout de um rolo compactador vibratório de tambor único.

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Figura 1 — A rotação da massa excêntrica gera excitação; juntamente com o peso da máquina, produz uma carga de contato que varia a cada ciclo. A qualidade também depende da velocidade de deslocamento, do solo, da umidade e da espessura da camada, portanto, testes e medições devem definir as condições de operação e a regra de parada.

0. Resumo de 30 segundos

• Para a compactação do solo, existe um "teor de umidade ideal" no qual se obtém a maior densidade seca para um determinado teor de umidade. O teste de laboratório que determina isso é o Teste Proctor (teste de compactação do solo por compactador de percussão), organizado como uma curva de compactação.
• Um rolo vibratório gira um peso excêntrico dentro do tambor para gerar força centrífuga (a força de excitação). Essa força de excitação é frequentemente ajustada para aproximadamente 2 a 3 vezes o próprio peso do tambor, combinando a carga estática do peso próprio com a carga dinâmica da vibração para compactar o solo.
• Uma grande amplitude com baixa frequência é adequada para camadas espessas e solos de granulação grossa; uma pequena amplitude com alta frequência é adequada para camadas finas e compactação final. Essa diferenciação determina tanto o tipo de máquina quanto o projeto de comutação de modos.
• Compactadores de placa e percussores de percussão são máquinas pequenas que realizam a compactação em locais onde um rolo grande não consegue entrar — taludes, áreas próximas a estruturas, valas estreitas de escavação e similares.
• Na pavimentação asfáltica, um rolo de macadame (compactação inicial), um rolo tandem (compactação final) e um rolo de pneus (compactação secundária/alisamento) são usados em sequência para cada etapa do processo.

1. Por que compactar: O Teste Proctor e Teor de Umidade Ótimo

A resistência, a resistência ao recalque e a permeabilidade de um aterro ou subleito estão intimamente ligadas à densidade seca do solo (a massa de partículas de solo por unidade de volume). Em 1933, o pesquisador americano Proctor descobriu que, quando o mesmo solo é compactado com diferentes teores de umidade, a densidade seca atinge um máximo em um determinado teor de umidade. No Japão, o "teste de compactação de solo por socador" (um teste de laboratório em conformidade com a norma JIS, equivalente ao teste Proctor) é usado para investigar essa relação.

No teste, uma amostra de solo é colocada em um recipiente chamado molde, e um socador (peso) de massa especificada é repetidamente solto em queda livre de uma altura especificada para compactá-lo. A compactação com aproximadamente 6 a 8 teores de umidade diferentes e a representação gráfica da relação entre o teor de umidade e a densidade seca como uma "curva de compactação" resultam em uma curva em forma de montanha. O teor de umidade no qual a densidade seca é maximizada é chamado de teor de umidade ótimo, e a densidade seca nesse ponto é a densidade seca máxima. \rho_{d,max}. Para solos arenosos grossos e bem graduados, a curva de compactação apresenta um pico acentuado, com \rho_{d,max} tendendo a ser alto e w_{opt} baixo (como guia aproximado, w_{opt} em torno de 8–20% e \rho_{d,max} em torno de 1,7–2,1 g/cm³). Solos coesivos com alto teor de finos, por outro lado, apresentam uma curva mais suave, com \rho_{d,max} menor e w_{opt} maior (como guia aproximado, w_{opt} em torno de 30–70% e \rho_{d,max} em torno de 1,1–1,3 g/cm³, ambos para o Método A).

Em campo, o padrão de manejo é a porcentagem da densidade seca máxima obtida em laboratório que corresponde à densidade seca efetivamente compactada. A densidade seca do solo atinge (o grau de compactação). Solos com teor de umidade muito abaixo do valor ideal não atingirão a densidade desejada, independentemente do aumento da força de excitação da máquina. O ajuste do teor de umidade por meio de irrigação ou aeração, juntamente com a capacidade de compactação da máquina, devem sempre ser considerados em conjunto.

2. O Mecanismo de Excitação de um Rolo Vibratório

Um rolo vibratório possui um eixo rotativo com um peso excêntrico (massa desbalanceada) dentro do tambor, e gera força de excitação girando-o em alta velocidade com um motor. Considerando a massa do peso excêntrico como m_e, sua distância excêntrica ao centro de rotação como r_e e a velocidade angular como \omega, a amplitude da força centrífuga (força de excitação) é

Como a velocidade angular \omega=2\pi f (onde f é a frequência), quanto maior a frequência, mais acentuadamente a força de excitação aumenta, com o quadrado da velocidade angular. A força que o tambor transmite ao solo é a carga estática do próprio peso do tambor, M_{drum}g, sobreposta a essa força de excitação rotativa, F_c\sin(\omega t). Na prática, a força de excitação é frequentemente ajustada para aproximadamente 2 a 3 vezes o próprio peso do tambor, o que significa que o tambor aplica periodicamente uma carga dinâmica grande o suficiente para levantá-lo momentaneamente do solo.

A amplitude a é determinada por algo próximo a

dividindo o momento estático do peso excêntrico m_e r_e pela massa equivalente M_{eq} do sistema vibratório, incluindo o tambor. Frequência e amplitude são parâmetros que podem Podem ser projetados e ajustados independentemente: uma grande amplitude e baixa frequência permitem que a energia de compactação atinja camadas espessas de solo, sendo adequada para a compactação inicial de camadas espessas, como um aterro, enquanto uma pequena amplitude e alta frequência concentram o efeito próximo à superfície, sendo adequadas para cenários como a compactação de acabamento de asfalto, que exigem camadas finas e alta planicidade. Muitas máquinas atuais possuem modos que alternam a frequência e a amplitude em estágios, permitindo que a mesma unidade cubra todas as etapas, desde o acabamento bruto até a compactação final.

O modelo SV160DV da Sakai Heavy Industries apresenta especificações que mostram uma frequência de 28,3 Hz (alta vibração) e uma força de excitação de 343 kN, que serve como referência para a força de excitação encontrada em rolos vibratórios de médio a grande porte para terraplenagem.

3. Compactadores de Placa e Soquetes: Compactação em Espaços Restritos

Em taludes, áreas próximas a estruturas, ao redor de tubulações enterradas e valas estreitas de escavação — locais onde um rolo vibratório grande não consegue entrar — são utilizados compactadores de placa ou soquetes portáteis. Um compactador de placa possui um mecanismo de vibração integrado. A parte inferior de uma placa plana, autopropulsionada para frente/para trás e de um lado para o outro, compacta a área. Um compactador de solo aplica impacto por meio de ricochetes verticais, sendo adequado para buracos verticais estreitos e para aterro.

O compactador de placa MVC-40H da Mikasa Sangyo possui especificações de massa de 49 kg, força centrífuga de 7,2 kN (730 kgf) e frequência de 103 Hz (6.200 vezes por minuto). Sua força de excitação é uma ordem de magnitude menor que a de um rolo vibratório grande, mas sua frequência é, inversamente, maior — mostrando que foi projetado para uso em situações onde uma pessoa empurra a unidade por uma área estreita, compactando finamente. A leve massa de 49 kg da máquina é resultado da priorização do manuseio manual e da portabilidade.

4. Rolos Compactadores de Asfalto: Uso Diferenciado por Etapa do Processo

A compactação do pavimento asfáltico não é realizada por uma única máquina. O rolo compactador de macadame, com uma roda de aço na frente e duas Na parte traseira, o rolo compactador é pesado — com um peso próprio de aproximadamente 6 a 16 toneladas — e é usado para compactar brita e realizar a compactação inicial da mistura asfáltica. O rolo tandem, com rodas de aço que se estendem por toda a largura do veículo, tanto na frente quanto na traseira, pode compactar uma grande área de uma só vez, sendo ideal para o acabamento. O rolo de pneus, que utiliza pneus de borracha nas rodas dianteiras e traseiras, possui uma distribuição de pressão no solo facilmente ajustável pela pressão dos pneus e é usado para a compactação secundária e o alisamento da superfície. O rolo combinado, equipado com rodas de aço e pneus, abrange uma ampla gama de tarefas, desde a compactação inicial até o acabamento, com uma única máquina.

Na obra, a sequência típica é: compactação inicial (rolo de macadame ou rolo vibratório) para obter a maior parte da densidade, compactação secundária (rolo de pneus) para corrigir sulcos e irregularidades e compactação final (rolo tandem) para refinar a suavidade e a textura da superfície. Como a mistura asfáltica se torna mais difícil de compactar à medida que sua temperatura cai, o momento da compactação e a combinação das máquinas são processos que exigem um gerenciamento de tempo especialmente rigoroso dentro do plano de construção.

5. O Gama de Equipamentos de Compactação Encontrados nos Produtos Atuais

A ordem de grandeza da força de excitação, frequência e massa difere bastante entre um rolo compactador vibratório de grande porte e uma placa compactadora portátil. Não se trata simplesmente de "o maior também pode fazer o trabalho menor" — isso demonstra que a filosofia de projeto do próprio sistema vibratório muda de acordo com a espessura da camada a ser compactada e o espaço de trabalho disponível.

6. Resumo

A função dos equipamentos de compactação é aplicar cargas repetidas ao solo ou material de pavimentação, reduzindo os vazios para atingir a densidade seca e a capacidade de suporte desejadas. O teor de umidade ideal e a densidade seca máxima, demonstrados pelo teste Proctor, fornecem o valor alvo para o ajuste do teor de umidade como uma meta de gerenciamento da construção. A força de excitação, a frequência e a amplitude de um rolo vibratório são as variáveis de projeto que determinam quanta energia dinâmica atinge esse alvo e a que profundidade. De compactadores de placa a rolos de asfalto, mesmo que o tipo de máquina varie, o princípio de "transmitir o próprio peso mais a força de excitação ao solo, de acordo com a espessura da camada e o tipo de solo" é o mesmo, e a seleção do modelo e o sequenciamento do processo no local são baseados nesse princípio.

Referências

• Centro de Testes do Instituto de Pesquisa da Construção — Teste de compactação de solo com compactador de solo (Série de Testes de Fácil Compreensão)
• Laboratórios de Teste Doken — O que é o teste de compactação de solo com compactador de solo (em conformidade com a norma JIS)
• Ministério da Terra, Infraestrutura, Transporte e Turismo, Departamento de Desenvolvimento Regional de Chubu — Tecnologia de gerenciamento de compactação por meio da resposta de aceleração do rolo vibratório, o "sistema α"
• Mikasa Sangyo — Compactador de Placa MVC-40H
• ARAV — O que é um rolo vibratório? Tipos e usos, incluindo terraplenagem e compactação
• ARAV — O que é um rolo compactador de macadame? Características e diferenças em relação a um rolo compactador tandem