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INPE-16723-TDI/1661-TDI
DESENVOLVIMENTO DE ELEMENTOS SENSORES DE
CER
ˆ
AMICAS POROSAS DE ZrO
2
-TiO
2
PARA
APLICA¸C
˜
AO NO MONITORAMENTO DO CONTE
´
UDO
DE
´
AGUA EM SOLOS
Rodrigo de Matos Oliveira
Tese de Doutorado do Curso de P´os-Gradua¸c˜ao em Engenharia e Tecnologia
Espaciais/ Ciˆencia e Tecnologia de Materiais e Sensores, orientada pela Dra. Maria
do Carmo de Andrade Nono, aprovada em 20 de abril de 2010.
URL do documento original:
<http://urlib.net/8JMKD3MGP7W/37D8NTE>
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S˜ao Jos´e dos Campos
2010
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DESENVOLVIMENTO DE ELEMENTOS SENSORES DE
CER
ˆ
AMICAS POROSAS DE ZrO
2
-TiO
2
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APLICA¸C
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AO NO MONITORAMENTO DO CONTE
´
UDO
DE
´
AGUA EM SOLOS
Rodrigo de Matos Oliveira
Tese de Doutorado do Curso de P´os-Gradua¸c˜ao em Engenharia e Tecnologia
Espaciais/ Ciˆencia e Tecnologia de Materiais e Sensores, orientada pela Dra. Maria
do Carmo de Andrade Nono, aprovada em 20 de abril de 2010.
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2010
Dados Internacionais de Cataloga¸c˜ao na Publica¸c˜ao (CIP)
Oliveira, Rodrigo de Matos.
Ol4d
Desenvolvimento de elementos sensores de cerˆamicas porosas
de ZrO
2
-TiO
2
para aplica¸c˜ao no monitoramento do conte´udo de
´agua em solos / Rodrigo de Matos Oliveira. – S˜ao Jos´e dos Cam-
p os : INPE, 2010.
xxxiv + 176 p. ; (INPE-16723-TDI/1661-TDI)
Tese (Doutorado em Materiais e Sensores) – Instituto Nacional
de Pesquisas Espaciais, S˜ao Jos´e dos Campos, 2010.
Orientadora : Dra. Maria do Carmo de Andrade Nono.
1. Elementos de sensores cerˆamicos. 2.
´
Agua no solo. 3. Desli-
zamento de Encostas. I.T´ıtulo.
CDU 666.3-127
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2010 do MCT/INPE. Nenhuma parte desta publica¸c˜ao pode ser reproduzida, arma-
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of any material supplied specifically for the purpose of being entered and executed on a computer
system, for exclusive use of the reader of the work.
ii
iv
v
“Um pouco de ciência nos afasta de Deus. Muito, nos aproxima.”
Louis Pasteur (1822 - 1895); cientista francês.
vi
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A meus amados pais,
Claudionor e Maria Ester, dedico.
viii
ix
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a DEUS, por tudo!
Agradeço imensamente à amiga e orientadora Profa. Dra. Maria do Carmo de Andrade Nono, ou
simplesmente “Maria”, a quem muito admiro, pela presença de espírito, bate-papos sempre
muito agradáveis, pela atenção, paciência, incentivo e dedicação dispensados em todos esse anos
de INPE (desde a iniciação científica!). MUITO OBRIGADO POR TUDO!
A todos do Laboratório Associado de Sensores e Materiais (LAS/CTE/INPE), onde cultivei
valorosas amizades. Desculpe por não citar nomes, pois não gostaria de esquecer ninguém!
Ao Laboratório Associado de Combustão e Propulsão (LCP/INPE) pelas análises fundamentais
realizadas em nossos materiais sensores!
Aos alunos de iniciação científica, Marcel Wada e Geraldo Pinto Britto Filho, pela motivação
demonstrada e pelas constantes trocas de idéias muito valiosas para o andamento do nosso
projeto!
Ao Prof. Dr. Evandro Luís Nohara, responsável pelo Laboratório de Materiais do Departamento
de Engenharia Mecânica, da Universidade de Taubaté (UNITAU), pela força e atenção
dispensada!
Ao Prof. Antônio Cláudio Testa Varallo, responsável pelo Laboratório de Solos do
Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, da Universidade de Taubaté (UNITAU), pela
atenção dispensada!
Aos amigos do INPE, adquiridos em todos esses anos, SEM EXCEÇÕES!
A todos da Secretaria de Pós-Graduação (SPG) e da Biblioteca (Serviço de Informação e
Documentação) do INPE, pela amável receptividade, em todos os momentos!
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo apoio
financeiro!
x
xi
RESUMO
A evolução acelerada na área de automação e de controle de parâmetros ambientais, referentes
ao monitoramento de umidade do ar e de solos, tem exigido esforços cada vez maiores no estudo
e no aprimoramento de novos materiais para serem aplicados como elementos e sistemas
sensores mais confiáveis, versáteis e de menor custo. As propriedades químicas e físicas únicas
dos materiais cerâmicos do tipo óxidos metálicos, aliadas à sua capacidade de adsorção
superficial de moléculas de água os tornam excelentes candidatos para esta aplicação. Neste
trabalho foi proposto utilizar um elemento sensor de cerâmica porosa, que estava sendo estudado
como sensor de umidade do ar, para realizar uma investigação de sua aplicação como sensor de
umidade para monitoramento do conteúdo de água de solos. Este projeto foi direcionado para o
monitoramento do conteúdo de água de solos em áreas com risco de deslizamento de encostas,
que tem ocasionado catástrofes em várias regiões do Brasil, principalmente nas últimas duas
décadas. Para tanto, neste trabalho, as cerâmicas porosas, confeccionadas a partir de pós
comerciais de ZrO
2
e de TiO
2
, foram compactadas por prensagem uniaxial e sinterizadas nas
temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C. Foram realizadas as identificações das fases cristalinas
presentes pela técnica de difratometria de raios X (DRX), as análises das características
morfológicas e das microestruturas dos pós e das cerâmicas sinterizadas pela técnica de
microscopia eletrônica de varredura (MEV). Também foram analisados os comportamentos das
curvas de distribuição de tamanhos de poros obtidas por porosimetria de mercúrio. As
caracterizações elétricas, por medições de capacitância, foram realizadas em função de teores
crescentes de umidade em duas amostras de solos, previamente selecionadas e caracterizadas. As
análises dos resultados indicaram que os elementos sensores de cerâmica porosa de ZrO
2
-TiO
2
,
desenvolvidos neste trabalho, são muito promissores quanto ao potencial de utilização no
monitoramento do conteúdo de umidade de solo.
xii
xiii
DEVELOPMENT OF ZrO
2
–TiO
2
POROUS CERAMICS SENSING ELEMENTS FOR
APPLICATION IN SOILS WATER CONTENT MONITORING
ABSTRACT
The hasty evolution in the area of automation and control of environmental parameters
concerning to air and soil moisture monitoring has demanded more and more efforts on the study
and improvement of new materials to be applied as sensors and sensing systems more reliable,
versatile and at lower cost. The sole chemical and physical properties of the metallic oxides type
ceramic materials, allied to their capacity of water molecules surface adsorption, make them
excellent candidates for this application. The proposal of this work was an investigation of a
porous ceramic sensing element, formerly studied as air humidity sensor, to be applied as
moisture sensor in soils water content monitoring. The project aimed the soil water content
monitoring in hill landslide hazard areas, which has caused catastrophes in several Brazilian
cities, mainly in the last two decades. Therefore, in this work, the porous ceramics manufactured
from commercial ZrO
2
and TiO
2
powders, were compacted by uniaxial pressing and sintered at
the temperatures 1000, 1100 and 1200
o
C. The crystal phases present were identified by x-ray
diffractometry (XRD); the analysis of the morphological characteristics and of the
microstructures of both the powders and the sintered ceramics were carried out through scanning
electron microscopy (SEM). Furthermore, the behavior of the pores sizes distribution curves was
obtained by Hg porosimetry. The electric characterization, as function of increasing humidity
content of two soil samples, previously selected and characterized, was induced through
capacitance measurements. The analyses of the results evidenced that the ZrO
2
-TiO
2
porous
ceramics sensing elements, developed in this work, are very promising in respect to their
potential for utilization as soil moisture content monitoring.
xiv
xv
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 2.1 - Sensor do tipo capacitivo de umidade do ar, com configuração de
sanduich.....................................................................................................
Figura 2.2 - Sensor do tipo resistivo de umidade do ar.................................................
Figura 2.3 - Sensor ótico de medição da umidade do ar pelo método do espelho
resfriado.....................................................................................................
Figura 2.4 - Sensor de umidade do tipo SAW (Surface Acoustic Wave)......................
Figura 2.5 - Representação esquemática dos diferentes tipos de poros: (a) fechados
ou isolados, (b) gargalo de garrafa, (c) cilíndricos, (d) afunilados, (e)
interconectados, (f) irregulares. A letra (g) representa a rugosidade da
superfície....................................................................................................
Figura 2.6 - Esquema de compactação do pó cerâmico em uma matriz de prensagem
uniaxial.......................................................................................................
Figura 2.7 - Estágios da microestrutura no processo de sinterização. a) partículas
soltas de pó, b) estágio inicial, c) estágio intermediário e d) estágio
final............................................................................................................
Figura 2.8 - Caminhos alternativos para o transporte de átomos durante o estágio
inicial de sinterização de partículas...........................................................
Figura 2.9 - Variação do diâmetro do “pescoço” entre partícula adjacentes em
função do tempo, no estágio inicial de sinterização..................................
Figura 2.10 - Representação esquemática das estruturas cristalinas da zircônia
polimórfica na pressão ambiente: a) monoclínica, b) tetragonal e c)
cúbica.......................................................................................................
Figura 2.11 - Principais estruturas cristalinas da titânia polimórfica na pressão e
temperatura ambientes: a) anatásio e b) rutílio........................................
Figura 2.12 - Principais estruturas cristalinas polimórficas da TiO
2
: (a) anatásio e (b)
rutílio........................................................................................................
Figura 2.13 - Orbitais moleculares da água...................................................................
Figura 2.14 - Ângulo das ligações da molécula de água...............................................
Figura 2.15 - Configuração tetraédrica da molécula metano.........................................
Figura 2.16 - Gradiente de polaridade da molécula de água.........................................
Figura 2.17 - Ligação hidrogênio entre moléculas de água...........................................
11
11
12
13
15
17
18
20
20
21
23
24
27
27
28
28
29
xvi
Figura 2.18 - a) Interação dos átomos na superfície e no interior de um sólido e b)
átomos em detalhe mostrando as interações entre eles............................
Figura 2.19 - Variação da energia do átomo em função da sua profundidade em
relação à superfície do corpo sólido.........................................................
Figura 2.20 - Superfície de óxidos metálicos em contato com o ar...............................
Figura 2.21 - Etapas do mecanismo de adsorção de moléculas de água em
superfícies de óxidos metálicos...............................................................
Figura 2.22 - Composição volumétrica de um solo.......................................................
Figura 2.23 - Formação característica de um solo e a diferenciação de horizontes......
Figura 2.24 - Horizontes de um perfil hipotético de solo..............................................
Figura 2.25 - Ciclo hidrológico.....................................................................................
Figura 2.26 - Esquema das zonas do solo quanto à água subsupeficial........................
Figura 2.27 - a) Esquema de um tensiômetro no campo e b) Tensiômetro comercial..
Figura 2.28 - a) Sonda de nêutrons dentro do tubo e realizando a contagem (sonda
de nêutrons comercial) e b) Esquema da sonda de nêutrons de
profundidade............................................................................................
Figura 2.29 - a) Reflectômetro no domínio do tempo e b) Conjunto de hastes de aço
inoxidável ou latão...................................................................................
Figura 2.30 - Sonda capacitiva comercial em atividade no campo...............................
Figura 2.31 - Blocos resistivos de absorção para a determinação do teor de água no
solo...........................................................................................................
Figura 2.32 - a) Equipamento comercial utilizado para determinar o conteúdo de
água no solo em atividade no campo e b) Esquema de funcionamento
do equipamento.......................................................................................
Figura 2.33 - Rastejo e seus indícios.............................................................................
Figura 2.34 - Escorregamento planar (translacional)....................................................
Figura 2.35 - Escorregamento circular (rotacional).......................................................
Figura 2.36 - Escorregamento em cunha.......................................................................
Figura 2.37 - Escorregamentos na Serra do Mar. a) Em 1967, deslizamentos
destroem estrada que leva a Caraguatatuba (SP), b) Com a tromba-
d'água, Serra do Mar se desmanchou sobre a cidade litorânea e c) No
ano seguinte, em 1968, as marcas de deslizamento ainda eram
fortes........................................................................................................
Figura 2.38 - Queda de blocos.......................................................................................
30
30
31
34
38
39
40
44
46
50
52
54
55
56
57
61
62
62
63
63
64
xvii
Figura 2.39 - Tombamento............................................................................................
Figura 2.40 - Rolamento de blocos................................................................................
Figura 3.1 - Localização da área de coleta das amostras de solos, que corresponde ao
município de Santo Antônio do Pinhal, mostrado em relação ao Brasil e
ao Estado de São Paulo..............................................................................
Figura 3.2 - Principais domínios de processos geodinâmicos de superfície no Estado
de São Paulo...............................................................................................
Figura 3.3 - Fluxograma esquemático do procedimento experimental adotado para a
confecção dos elementos sensores cerâmicos...........................................
Figura 3.4 - Fluxograma esquemático do procedimento experimental adotado para a
caracterização elétrica dos elementos sensores cerâmicos........................
Figura 3.5 - Escalas granulométricas adotadas pela A.S.T.M., A.A.S.H.T.O, M.I.T. e
ABNT.........................................................................................................
Figura 3.6 - Diagrama trilinear de classificação textural de solos.................................
Figura 3.7 - Esquema indicando a posição relativa dos Limites de Atterberg e do
índice de plasticidade.................................................................................
Figura 3.8 - a) Aparelho de Casagrande usado para a determinação do limite de
liquidez, b) especificações da concha de Casagrande e c) especificações
do cinzel.....................................................................................................
Figura 3.9 - Procedimento manual para a determinação do limite de plasticidade. a)
formação do cilindro e b) pedaços do cilindro determinar a umidade
média..........................................................................................................
Figura 3.10 - Representação esquemática do elemento sensor de cerâmica porosa
recoberto com filme metálico e com eletrodos conectados em ambas as
superfícies planas.....................................................................................
Figura 3.11 - Representação esquemática do elemento sensor cerâmico recoberto
com filme metálico e eletrodos conectados em ambas as superfícies
(em destaque)...........................................................................................
Figura 3.12 - Esquema da caracterização elétrica, pelo medidor RLC, dos sensores
cerâmicos de umidade de solo................................................................
Figura 4.1 - Difratogramas de raios X dos pós de: a) ZrO
2
com estrutura cristalina
monoclínica e b) TiO
2
com estrutura cristalina tetragonal,
correspondente ao anatásio........................................................................
65
65
78
79
81
82
89
90
92
93
93
95
96
98
101
xviii
Figura 4.2 - Difratogramas de raios X dos pós de ZrO
2
e de TiO
2
e da mistura ZrO
2
-
TiO
2
............................................................................................................
Figura 4.3 - Imagens obtidas por MEV do pó de ZrO
2
.................................................
Figura 4.4 - Fotomicrografias obtidas por MEV do pó de TiO
2
....................................
Figura 4.5 - Imagens obtidas por MEV da mistura mecânica dos pós de ZrO
2
e de
TiO
2
............................................................................................................
Figura 4.6 - Curvas de distribuição de tamanhos de partículas dos pós de ZrO
2
e de
TiO
2
e da sua mistura na proporção 1:1 (em peso)....................................
Figura 4.7 - Difratograma de raios X da cerâmica sinterizada em 1000
o
C por 2
horas...........................................................................................................
Figura 4.8 - Difratograma de raios X da cerâmica sinterizada em 1100
o
C por 2
horas...........................................................................................................
Figura 4.9 - Difratograma de raios X da cerâmica sinterizada em 1200
o
C por 2
horas...........................................................................................................
Figura 4.10 - Difratogramas de raios X das cerâmicas sinterizadas nas temperaturas
de 1000, 1100 e 1200
o
C por 2 horas.......................................................
Figura 4.11 - Imagens obtidas por MEV da superfície de fratura de uma cerâmica
sinterizada na temperatura de 1000
o
C.....................................................
Figura 4.12 - Imagens obtidas por MEV da superfície de fratura de uma cerâmica
sinterizada na temperatura de 1100
o
C.....................................................
Figura 4.13 - Imagens obtidas por MEV da superfície de fratura de uma cerâmica
sinterizada na temperatura de 1200
o
C.....................................................
Figura 4.14 - Comportamento da densidade relativa em função da temperatura de
sinterização das cerâmicas de ZrO
2
-TiO
2
...............................................
Figura 4.15 - Comportamento da retração linear em função da temperatura de
sinterização das cerâmicas de ZrO
2
-TiO
2
...............................................
Figura 4. 16 - Curvas de distribuição de tamanhos de poros nas cerâmicas
sinterizadas nas temperaturas de: a) 1000, b) 1100 e c) 1200
o
C..........
Figura 4. 17 - Curvas de distribuição de tamanhos de poros nas cerâmicas
sinterizadas nas temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C........................
Figura 4.18 - Comportamento do volume total de poros nas cerâmicas sinterizadas
nas temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C............................................
Figura 4.19 - Comportamento da área superficial específica em função da
temperatura de sinterização das cerâmicas porosas de ZrO
2
-TiO
2
.........
102
103
103
104
105
107
108
108
109
110
111
111
112
113
115
116
116
118
xix
Figura 4.20 - Local de coleta das amostras de solo, situado na rodovia Floriano
Rodrigues Pinheiro (SP-123), km 30, no município de Santo Antônio
do Pinhal, SP...........................................................................................
Figura 4.21 - Mapas georreferenciados referentes ao Município de Santo Antônio do
Pinhal, SP. a) mapa de solos e b) mapas geomofológicos......................
Figura 4.22 - Comportamento da variação da capacitância em função da umidade
relativa do ar, a partir de medições realizadas em várias temperaturas
do ambiente, utilizando um elemento sensor de ZrO
2
-TiO
2
(sinterizado em 1100
o
C)........................................................................
Figura 4.23 - Medições de capacitância do elemento sensor de ZrO
2
-TiO
2
com
variações crescentes da umidade relativa do ar (curva 1) e com
variações decrescentes (curva 2), na temperatura ambiente de 25
o
C.............................................................................................................
Figura 4.24 - Curvas mostrando as respostas na adsorção/dessorção de água e
estabilizações dos elementos sensores de ZrO
2
-TiO
2
sinterizados nas
temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C...................................................
Figura 4.25 - Curvas mostrando a resposta na adsorção/dessorção de água e
estabilização do elemento sensor de ZrO
2
-TiO
2
sinterizado em 1000
o
C: a) curva completa mostrando a estabilização na
adsorção/dessorção de água, b) resposta na adsorção de água e b)
resposta na dessorção de água.................................................................
Figura 4.26 - Curvas mostrando a resposta na adsorção/dessorção de água e a
estabilização do elemento sensor de ZrO
2
-TiO
2
sinterizado em 1100
o
C: a) curva completa, b) resposta na adsorção de água e b) resposta
na dessorção de água...............................................................................
Figura 4.27 - Curvas mostrando a resposta e a estabilização na adsorção/dessorção
de água pelo elemento sensor de ZrO
2
-TiO
2
sinterizado em 1200
o
C:
a) curva completa, b) resposta na adsorção de água e b) resposta na
dessorção de água....................................................................................
Figura 4.28 - Curvas de capacitância em função do conteúdo de água nas amostras
de solo A, com medições realizadas na temperatura do ar de 12,59
o
C
e umidade relativa do ar de 78,72 %, utilizando os elementos sensores
cerâmicos sinterizados nas temperaturas de: a) 1000, b) 1100 e c)
1200
o
C....................................................................................................
119
120
123
124
125
126
127
128
133
xx
Figura 4.29 - Valores dos coeficientes de correlação linear dos elementos sensores
cerâmicos sinterizados nas temperaturas de: a) 1000, b) 1100 e c)
1200
o
C, utilizando amostras de Solo A, sob condições ambientais
controladas (T: 12,59 % e U.R.: 78,72 %)..............................................
Figura 4.30 - Curvas de capacitância em função do conteúdo de água nas amostras
de Solo B, com medições realizadas na temperatura do ar de 12,59
o
C
e umidade relativa do ar de 78,72 %, utilizando os elementos sensores
cerâmicos sinterizados nas temperaturas de: a) 1000, b) 1100 e c)
1200
o
C....................................................................................................
Figura 4.31 - Valores dos coeficientes de correlação linear dos elementos sensores
cerâmicos sinterizados nas temperaturas de: a) 1000, b) 1100 e c)
1200
o
C, utilizando amostras de Solo B, sob condições ambientais
controladas (T: 12,59
o
C e U.R.: 78,72 %).............................................
Figura 4.32 - Curvas obtidas pelo sensor comercial, dado em conteúdo de água
percentual (cm/m), em função de teores de água nas amostras de Solo
A, realizadas em: a) condições ambientes normais e b) temperatura do
ar de 12,59
o
C e umidade relativa do ar de 78,72 %...............................
Figura 4.33 - Curvas obtidas pelo sensor comercial, dado em conteúdo de água
percentual (cm/m), em função de teores de água nas amostras de Solo
B, realizadas em: a) atmosfera ambiente (vedado com filme de PVC
transparente) e b) temperatura do ar de 12,59
o
C e umidade relativa do
ar de 78,72 %..........................................................................................
Figura A.1 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 29/08, às 15h,
ao dia 01/09, às 12h.................................................................................
Figura A.2 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 01/09 às 12h ao
dia 04/09 às 12h.......................................................................................
Figura A.3 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 04/09 às 12h ao
dia 07/09 às 12h.......................................................................................
Figura A.4 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 07/09 às 12h ao
dia 10/09 às 12h.......................................................................................
Figura A.5 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 10/09 às 12h ao
dia 13/09 às 12h.......................................................................................
Figura A.6 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 13/09 às 12h ao
dia 16/09 às 12h.......................................................................................
135
138
140
142
143
164
164
165
165
166
166
xxi
Figura A.7 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 16/09 às 12h ao
dia 19/09 às 12h.......................................................................................
Figura A.8 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 19/09 às 12h ao
dia 22/09 às 12h.......................................................................................
Figura A.9 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 22/09 às 12h ao
dia 25/09 às 12h.......................................................................................
Figura A.10 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 25/09 às 12h
ao dia 28/09 às 12h.................................................................................
Figura A.11 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 28/09 às 12h
ao dia 01/10 às 12h.................................................................................
Figura A.12 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 29/08
às 15h ao dia 01/09 às 12h......................................................................
Figura A.13 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 01/09
às 12h ao dia 04/09 às 12h......................................................................
Figura A.14 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 04/09
às 12h ao dia 07/09 às 12h......................................................................
Figura A.15 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 07/09
às 12h ao dia 10/09 às 12h......................................................................
Figura A.16 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 10/09
às 12h ao dia 13/09 às 12h......................................................................
Figura A.17 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 13/09
às 12h ao dia 16/09 às 12h......................................................................
Figura A.18 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 16/09
às 12h ao dia 19/09 às 12h......................................................................
Figura A.19 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 19/09
às 12h ao dia 22/09 às 12h......................................................................
Figura A.20 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 22/09
às 12h ao dia 25/09 às 12h......................................................................
Figura A.21 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 25/09
às 12h ao dia 28/09 às 12h......................................................................
Figura A.22 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 28/09
às 12h ao dia 01/10 às 12h......................................................................
167
167
168
168
169
169
170
170
171
171
172
172
173
173
174
174
xxii
xxiii
LISTA DE TABELAS
Pág.
Tabela 2.1 - Materiais cerâmicos utilizados como elementos sensores de umidade do
ar................................................................................................................
Tabela 2.2 - Utilização de polímeros como elementos sensores de umidade do ar.......
Tabela 2.3 - Utilização de eletrólitos como elementos sensores de umidade do ar.......
Tabela 2.4 - Utilização de compósito do tipo cerâmica-polímero como elemento
sensor de umidade do ar............................................................................
Tabela 2.5 - Mecanismos de transporte de átomos durante o estágio inicial de
sinterização...............................................................................................
Tabela 2.6 - Estrutura cristalina e algumas propriedades físicas das três
modificações alotrópicas do TiO
2
.............................................................
Tabela 2.7 - Explicativo da Figura 2.26........................................................................
Tabela 2.8 - Permissividade relativa de alguns constituintes do solo............................
Tabela 2.9 - Características dos principais movimentos de encosta na dinâmica
ambiental brasileira...................................................................................
Tabela 2.10 - Alguns acidentes importantes decorrentes de escorregamentos no
Brasil.......................................................................................................
Tabela 3.1 - Análise química da zircônia utilizada neste trabalho (realizada por
fluorescência de raios X, no IPEN)...........................................................
Tabela 3.2 - Análise química da titânia utilizada neste trabalho (cedida pelo
fornecedor)................................................................................................
Tabela 3.3 - Especificações do sensor comercial de umidade de solo. Decagon
Device, Inc. Soil Moisture Sensors (EC-20).............................................
Tabela 4.1 - Valores de diâmetro médio de partículas dos pós de ZrO
2
e de TiO
2
e da
sua mistura na proporção 1:1 (em peso)...................................................
Tabela 4.2 - Valores de densidade relativa e de porosidade relativa para as cerâmicas
porosas de ZrO
2
-TiO
2
sinterizadas............................................................
Tabela 4.3 - Valores de retração linear das cerâmicas porosas de ZrO
2
-TiO
2
sinterizadas................................................................................................
Tabela 4.4 - Valores de volume total de poros para as cerâmicas porosas de ZrO
2
-
TiO
2
sinterizadas.......................................................................................
Tabela 4.5 - Valores de área superficial específica para as cerâmicas porosas de
ZrO
2
-TiO
2
sinterizadas..............................................................................
8
9
10
10
19
25
47
53
60
68
77
77
80
106
112
113
117
118
xxiv
Tabela 4.6 - Análises físicas das amostras de solos A e B............................................
Tabela 4.7 - Resultado analítico das amostras A e B dos solos utilizados nesse
trabalho.....................................................................................................
Tabela 4.8 - Valores médios de temperaturas do ar e de umidades relativas do ar
obtidos nas condições climáticas ocorridas em setembro de 2006, no
município de Santo Antônio do Pinhal, SP (dados fornecidos pelo
CPTEC-INPE)........................................................................................
Tabela 4.9 - Comparação dos valores obtidos pelos elementos sensores cerâmicos
desenvolvido neste trabalho e o sensor comercial Os valores, com
destaque em vermelho, representam os maiores valores de coeficiente
de correlação linear, para cada condição de medição.............................
Tabela A.1 - Médias dos dados climáticos de temperatura (T) e de umidade relativa
do ar (UR), referentes aos itens (a) Temperatura e (b) Umidade
Relativa do Ar..........................................................................................
119
121
131
144
163
xxv
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
A.A.S.H.T.O
American Association for State Highway and Transportation Officials
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
AMP Amplificador operacional
AMR Divisão de Materiais do IAE
ASTM American Society for Testing Materials
BET Brunauer-Emmet-Teller
CPTEC Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos
CTC Capacidade de troca de cátions
CTE Coordenadoria de Tecnologias Especiais
d Diâmetro
DCTA Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial
EDX Espectrometria de Dispersão de Energia de Raios X
FESEM Field Emission Scanning Eletronic Microscopy
IAC Instituto Agronômico de Campinas
IAE Instituto de Aeronáutica e Espaço
IAEG International Association for Engineering Geology and the environment
IDT Inter-Digital Transducer
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
IPEN Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares
IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo
ISS/MFE International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering
JCPDS Joint Committee on Powder Diffraction Standards
LAS Laboratório Associado de Sensores e Materiais
LC Limite de Consistência
LL Limite de Liquidez
xxvi
LP Limite de Plasticidade
MET Microscopia Eletrônica de Transmissão
MEV/FEG Microscopia Eletrônica de Varredura por Emissão de Campo
MIT Massachusetts Institute of Technology
ONU Organização das Nações Unidas
pH Potencial hidrogeniônico
PVC Polyvinyl chloride
SAW Surface Acoustic Wave
SUCERA Engenharia de Superfícies e Cerâmicas Micro e Nanoestruturadas
TDR Time Domain Reflectometry
TECAMB
Tecnologias Ambientais
UNITAU Universidade de Taubaté
USGS U.S. Geological Survey
xxvii
LISTA DE SÍMBOLOS
a Parâmetro de rede de uma estrutura cristalina
Å Angstron
Ac Acumulada de chuva em quatro dias anteriores
b Parâmetro de rede de uma estrutura cristalina
BF
3
Fluoreto de boro
c Parâmetro de rede de uma estrutura cristalina
C Constante: função da energia de interação adsorvido/adsorvente
°C Graus Celsius
Ca
2+
Cátion bivalente de cálcio
Cu Átomo de cobre
D Diâmetro do poro
eV Elétron-volt
Fe
2
O
3
Trióxido de ferro
FeTiO
3
Ortoferrita de titânio (ilmenita)
HfO
2
Dióxido de háfnio (háfnia)
H
2
O
Molécula da água
H
3
O
1+
Hidrônio
I Intensidade horária
K Átomo de potássio
K e b Constantes da relação geométrica
LiCl
Cloreto de lítio
M Peso molecular da água
M
n+
Cátion metálico
Mg
2+
Cátion bivalente de magnésio
N
2
Nitrogênio gasoso
nm Nanômetro
xxviii
O
2-
Ânion bivalente de oxigênio (óxido)
OH
1-
Hidróxido (Hidroxila)
P Força externa aplicada
P Pressão absoluta de um gás
P
o
Pressão de saturação do gás adsorvido
R Constante dos gases
r
k
Raio de Kelvin
SO
4
2-
Ânion
sulfato
T Temperatura
Ti Átomo de titânio
Ti
4+
Cátion tetravalente de titânio ou titânio (IV)
TiO
2
Dióxido de titânio (titânia)
TiO
6
Octaedrita
V Volume
V
a
Volume do gás adsorvido pela amostra
V
m
Volume de gás adsorvido
Zr Átomo de zircônio
Zr
4+
Cátion tetravalente de zircônio ou zircônio (IV)
ZrO
2
Dióxido de zircônio (zircônia)
ZrSiO
4
Silicato de zircônio (zircão ou zirconita)
X Peso do adsorvido
Y
3+
Cátion trivalente de ítrio
Símbolos Gregos
γ Tensão superficial
ε Constante dielétrica
θ Ângulo de contato
∆H Calor de formação
λ Comprimento de onda
xxix
µ
Mícron
ρ Densidade
ρ Pressão do vapor d’água
ρ
s
Pressão do vapor d’água em saturação
xxx
xxxi
SUMÁRIO
Pág.
1 INTRODUÇÃO.........................................................................................................
2 SENSORES DE UMIDADE E MEIO AMBIENTE..............................................
2.1 Os materiais e a detecção da umidade relativa do ar...............................................
2.2 Cerâmicas porosas como elementos sensores de umidade......................................
2.2.1 Materiais cerâmicos..............................................................................................
2.2.2 Cerâmicas porosas................................................................................................
2.2.2.1 Processamento de cerâmicas porosas................................................................
2.2.3 Zircônia – ZrO
2
.....................................................................................................
2.2.4 Titânia – TiO
2
.......................................................................................................
2.3 Processos de adsorção de moléculas de água em superfícies de elementos
sensores cerâmicos.................................................................................................
2.3.1 Estrutura da molécula de água..............................................................................
2.3.2 Superfícies sólidas................................................................................................
2.3.3 Mecanismos de adsorção de moléculas de água em superfícies de óxidos
metálicos...............................................................................................................
2.3.4 Interação das superfícies dos poros do elemento sensor cerâmico com as
moléculas de água................................................................................................
2.3.5 Mecanismos de condução nos elementos sensores de umidade...........................
2.4 Conceito de solo......................................................................................................
2.4.1 Composição do solo.............................................................................................
2.4.2 Formação do solo..................................................................................................
2.5 Influências do clima na dinâmica superficial terrestre............................................
2.5.1 Clima no Brasil.....................................................................................................
2.5.2 Precipitação e a dinâmica superficial...................................................................
2.6 Comportamento da água no solo.............................................................................
2.6.1 Infiltração de água em solos.................................................................................
2.6.1.1 Zonas de umidade do solo.................................................................................
2.7 Principais métodos para a determinação do teor de água no solo...........................
2.7.1 Método gravimétrico............................................................................................
2.7.2 Método tensiométrico...........................................................................................
2.7.3 Métodos nucleares................................................................................................
2.7.4 Método baseado na constante dielétrica...............................................................
1
7
7
13
13
14
16
20
23
25
26
29
31
35
36
37
38
38
41
41
43
44
45
46
48
49
50
51
52
xxxii
2.7.5 Método resistivo...................................................................................................
2.7.6 Método baseado na condutividade térmica...........................................................
2.8 Processos de dinâmica superficial...........................................................................
2.8.1 Abordagens de estudo: métodos e estratégias para o monitoramento ambiental.
2.8.2 Principais processos de dinâmica superficial.......................................................
2.8.2.1 Movimentos de massa........................................................................................
2.9 Deslizamentos de encostas......................................................................................
2.9.1 Fatores condicionantes..........................................................................................
3 MATERIAIS E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL.....................................
3.1 Materiais utilizados..................................................................................................
3.1.1 Zircônia (ZrO
2
) ....................................................................................................
3.1.2 Titânia (TiO
2
)........................................................................................................
3.1.3 Amostras de solos.................................................................................................
3.1.4 Dados climáticos da região de coleta dos solos....................................................
3.1.5 Sensor comercial de umidade de solo...................................................................
3.2 Procedimento experimental.....................................................................................
3.2.1 Processamento e caracterização das cerâmicas porosas.......................................
3.2.2 Preparação e caracterização dos pós.....................................................................
3.2.2.1 Mistura mecânica dos pós precursores..............................................................
3.2.2.2 Análise das fases cristalinas presentes nos pós precursores e da mistura..........
3.2.2.3 Análise morfológica das partículas dos pós precursores e da mistura...............
3.2.2.4 Distribuição de tamanhos de partículas dos pós................................................
3.2.3 Processamento e caracterização das cerâmicas ...................................................
3.2.3.1 Compactação da mistura de pós precursores.....................................................
3.2.3.2 Sinterização dos corpos cerâmicos....................................................................
3.2.3.3 Análise das fases cristalinas presentes nas cerâmicas sinterizadas...................
3.2.3.4 Análise morfológica das cerâmicas sinterizadas...............................................
3.2.3.5 Densidade aparente das cerâmicas sinterizadas.................................................
3.2.3.6 Retração linear das cerâmicas sinterizadas........................................................
3.2.3.7 Análise de distribuição de tamanhos de poros...................................................
3.2.3.8 Determinação da área superficial específica .....................................................
3.2.4. Caracterização dos solos......................................................................................
3.2.4.1 Extração das amostras de solos..........................................................................
3.2.4.2 Classificação textural ou granulométrica dos solos...........................................
55
56
57
58
58
59
66
68
75
76
76
77
77
79
80
80
80
83
83
83
84
84
84
84
85
85
85
85
86
86
87
88
88
88
xxxiii
3.2.4.3 Limites de consistência de Atterberg.................................................................
3.2.4.4 Análise química das amostras de solos..............................................................
3.2.5 Caracterização dos elementos sensores cerâmicos em relação à umidade de
solos......................................................................................................................
3.2.5.1 Preparação dos elementos sensores de cerâmicas porosas sinterizadas............
3.2.5.2 Medições de tempo de resposta e estabilização na adsorção e dessorção de
água...................................................................................................................
3.2.5.3 Medições do conteúdo de água nas amostras de solos .....................................
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES............................................................................
4.1 Características dos pós precursores e da mistura.....................................................
4.1.1 Fases cristalinas presentes....................................................................................
4.1.2 Morfologia dos pós precursores e da mistura.......................................................
4.1.3 Distribuição do tamanho de partículas dos pós....................................................
4.2 Características das cerâmicas sinterizadas...............................................................
4.2.1 Fases cristalinas presentes....................................................................................
4.2.2 Características das microestruturas.......................................................................
4.2.3 Densidade relativa e retração linear......................................................................
4.2.4 Distribuição de tamanho de poros........................................................................
4.2.5 Área superficial específica....................................................................................
4.3 Características das amostras de solos......................................................................
4.3.1 Análises físicas dos solos......................................................................................
4.3.2 Análises químicas dos solos.................................................................................
4.4 Comportamentos de estabilidade e de resposta na adsorção e dessorção de
umidade pelos elementos sensores cerâmicos porosos de ZrO
2
-TrO
2
....................
4.5 Caracterização elétrica dos elementos sensores cerâmicos de umidade de solo.....
4.5.1 Comportamentos da variação da capacitância em função da umidade de solo
nas condições ambientes......................................................................................
4.5.2 Comportamentos da capacitância em função da umidade do solo sob condições
climáticas controladas..........................................................................................
4.6 Comportamento da variação da umidade do solo utilizando o sensor de umidade
de solo comercial pela técnica da constante dielétrica (TDR)................................
4.7 Análises comparativa dos resultados obtidos para os elementos sensores
cerâmicos e o sensor comercial (TDR)...................................................................
5 CONCLUSÃO...........................................................................................................
91
94
95
95
96
97
101
101
101
102
104
106
106
110
111
113
117
118
119
121
122
129
131
136
141
143
147
xxxiv
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS..................................................
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................
APÊNDICE A - DADOS CLIMÁTICOS..................................................................
ANEXO A - PUBLICAÇÕES ORIGINADAS DESTE TRABALHO....................
149
151
163
175
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
O Brasil possui muitas regiões que são suscetíveis ao deslizamento de encostas; segundo
um levantamento feito pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT),
cerca de 150 municípios brasileiros, localizados principalmente nos estados de São Paulo, Rio de
Janeiro, Minas Gerais, Pernambuco, Bahia, Espírito Santo e Santa Catarina, são afetados pela
ocorrência desses processos nos períodos chuvosos [1].
Os deslizamentos de encostas, por sua vez, são fenômenos naturais, que podem ocorrer
em qualquer área de alta declividade, por ocasião de chuvas intensas e prolongadas. Pode-se
mesmo dizer que, numa escala de tempo geológica (milhares de anos), é certo que algum
deslizamento vai ocorrer em todas as encostas. No entanto, a remoção da vegetação original e a
ocupação urbana tendem a tornar mais frágil o equilíbrio naturalmente precário, fazendo com
que os deslizamentos passem a ocorrer em escala humana de tempo (dezenas de anos ou mesmo
anualmente).
Os principais fenômenos relacionados a desastres naturais no Brasil são os deslizamentos
de encostas e as inundações, que estão associados a eventos pluviométricos intensos e
prolongados, repetindo-se a cada período chuvoso mais severo. Apesar das inundações serem
processos que produzem as maiores perdas econômicas e os impactos mais significativos na
saúde pública, são os deslizamentos que geram o maior número de vítimas fatais [2].
Alguns trechos dos noticiários especializados dos últimos anos.
“O governo municipal do Rio atribuiu o deslizamento de terra às chuvas, já que, segundo o
secretário municipal de Obras, Eider Dantas, choveu 161 milímetros em apenas 24 horas, o que
equivale a 45 dias de chuva” (globo.com, 24 de outubro de 2007).
“Em Santa Catarina, deslizamentos mataram 128 pessoas e 26 estão desaparecidas; 32,8 mil
pessoas estão desalojadas e desabrigadas” (gnoticias.com.br, 17 de dezembro 2008).
2
“Deslizamentos são responsáveis por 70 % das mortes registradas em acidentes naturais na
região do Caribe e da América Latina, deduziu o organismo da ONU” (gnoticias.com.br, 17 de
dezembro 2008).
“As chuvas voltaram a castigar o litoral de Santa Catarina, provocando deslizamentos em três
bairros de Palhoça, na região metropolitana da capital” (gnoticias.com.br, 17 dezembro 2008).
“Com mais quatro vítimas ontem, chegou a 13 o número de mortos pelas chuvas nos últimos três
dias no Estado de São Paulo, sendo 11 por deslizamento de terra e dois por raios - oito são da
Grande São Paulo” (Folha de São Paulo, 05 de dezembro de 2009).
“A Prefeitura de Angra dos Reis confirmou que o número de mortos nos deslizamentos na área
pobre do morro da Carioca, no centro da cidade, e na praia do Bananal, no distrito de Ilha
Grande, já chega a 46” (Agência Brasil, 03 de janeiro de 2010).
“A prefeitura também anunciou a remoção de 164 famílias que estão nas áreas com maior risco
de deslizamento. De acordo com levantamento da Secretaria de Habitação, já foram mapeadas
87 áreas de risco, onde moram 1.873 famílias” (Folha on line, 22 de janeiro de 2010).
Nas cidades brasileiras, marcadas pela exclusão sócio-espacial que lhes é característica,
há um fator que aumenta ainda mais a freqüência dos deslizamentos: a ocupação das encostas
por assentamentos precários, favelas, vilas e loteamentos irregulares. A remoção da vegetação, a
execução de cortes e aterros instáveis para construção de moradias e vias de acesso, a deposição
de lixo nas encostas, a ausência de sistemas de drenagem de águas pluviais e coleta de esgotos, a
elevada densidade populacional e a fragilidade das moradias aumentam tanto a freqüência das
ocorrências como a magnitude dos acidentes [1]. Estima-se em milhares de mortes e dezenas de
bilhões de dólares de prejuízos por ano, relacionados à deflagração de escorregamentos no
mundo inteiro [3]. Como exemplo em nosso país, avalia-se em cerca de 7,1 milhões de dólares
com gastos associados à execução de obras de contenção nas encostas do Rio de Janeiro, no
período de 1988 a 1991 [4].
Na tentativa de solucionar ou ao menos amenizar tais problemas, tem sido desenvolvido
um número cada vez maior de estudos de susceptibilidade a movimentos de massa em áreas
urbanas. Estes estudos têm por objetivo delimitar áreas mais susceptíveis à ocorrência de
3
movimentos, a partir da análise de suas causas e mecanismos, os quais estão relacionados ao
volume e freqüência das precipitações, à estrutura geológica, aos materiais envolvidos, às formas
de relevo e às formas de uso da terra. Todavia, o número de estudos ainda não é suficiente e,
apesar do aprimoramento dos métodos e técnicas de análise, as causas e mecanismos envolvidos
na deflagração de deslizamentos continuam pouco conhecidos [2].
Deste modo, a importância deste estudo se deve ao fato que, no Brasil, existem relatos
destas catástrofes datados da época do império (1671) e que ainda têm causado, principalmente
nas últimas duas décadas, acidentes em várias cidades brasileiras [5].
No Brasil, a exemplo de muitos outros países, os mapeamentos de áreas de riscos são
predominantemente realizados por meio de avaliações qualitativas, ou seja, os riscos são
identificados com base na opinião técnica da equipe que realiza o mapeamento com o apoio de
informações dos moradores da área mapeada. Os mapeamentos de áreas de riscos também
podem ser executados por meio de métodos denominados quantitativos. Tais métodos, ainda
pouco testados em nosso país, vêm sendo adotados nos municípios onde existe um banco de
dados consistente sobre os deslizamentos ocorridos ao longo do tempo [2]. Neste sentido, o
crescente interesse pelo monitoramento ambiental, a fim de minimizar o potencial das áreas de
risco de deslizamento de encostas e prevenir novas catástrofes, assim como a complementação
de um banco de dados, tem norteado o avanço no desenvolvimento de novos materiais para a
confecção de sensores e de sistemas sensores mais confiáveis, versáteis e de baixo custo [6;7].
Atualmente, há uma grande deficiência de elementos sensores produzidos no Brasil
capazes de mensurar o conteúdo de água nos solos brasileiros baseados na “Regra dos 4S”. Essa
regra é usada para qualificar os sensores através de sua velocidade de resposta (Speed), sua
estabilidade física e química (Stability), sua seletividade ao estímulo proposto (Selectivity) e sua
capacidade sensitiva (Sensibility). Desta forma, para adquirir um equipamento refinado é
necessário importá-lo, principalmente dos Estados Unidos, países da Europa e Japão. Estes
sensores, em contrapartida, apresentam deficiências em vários aspectos, entre elas podemos citar
os métodos de calibração que ocorrem em condições adversas às encontradas no Brasil,
principalmente pela diferença da composição química, textura, estrutura e permeabilidade dos
solos, como também pelas condições climáticas distintas, que influenciam demasiadamente o
comportamento da água no solo gerando, portanto, resultados imprecisos. Em climas tropicais,
4
os processos de laterização podem induzir formação de macroestruturas e características
particulares dos solos, quanto aos parâmetros de resistência, índices de plasticidade, textura,
entre outros, que resultam em comportamentos diferenciados em relação aos solos de clima
temperado. A investigação do comportamento geotécnico dos solos lateríticos e saprolíticos
tropicais vem se intensificando dentro da geologia de engenharia, inclusive no campo da
estabilidade de encostas e taludes [8]. Entretanto, estimativas confiáveis da umidade do solo são
requeridas para utilização em modelos hidrológicos [9]. Algumas características físicas do solo
dependentes da umidade, como a condutividade hidráulica do solo não saturado, podem ser
determinadas por modelos exponenciais, nos quais qualquer pequena variação no valor da
umidade do solo causará um grande efeito no seu resultado. Desta forma é necessário o
desenvolvimento de uma instrumentação adequada que permita a obtenção de valores confiáveis.
Vale ressaltar, também, que o custo inicial (preço imediato + impostos) e o custo a longo prazo
(assistência técnica e manutenção) são fatores desfavoráveis à aquisição destes sensores de
umidade importados, pois eles são comercializados a valores muito superiores aos produzidos
com tecnologia brasileira.
Ao longo dos últimos 24 anos, pesquisadores da Linha de Pesquisas em Engenharia de
Superfícies e Cerâmicas Micro e Nanoestruturadas (SUCERA) do Grupo de Pesquisas em
Tecnologias Ambientais (TECAMB), que integra o Laboratório Associado de Sensores e
Materiais (LAS), do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), têm se firmado na
elaboração de técnicas de diagnóstico, desenvolvimento e caracterização de materiais e no
aprimoramento de elementos sensores e sistemas sensores de parâmetros ambientais. Em 2001,
face aos bons resultados alcançados no desenvolvimento de elementos sensores cerâmicos de
gases [10] e de cerâmicas porosas para o monitoramento da umidade relativa do ar [11-13] pelo
Grupo de Pesquisas TECAMB, iniciou-se um projeto completamente original em termos
mundiais no sentido de investigar a potencialidade de utilização de cerâmicas porosas de ZrO
2
-
TiO
2
como elementos sensores do conteúdo de água no solo para serem aplicados, inicialmente,
na irrigação e hidráulica agrícola e, também, nas drenagens urbanas e rurais [14-16]. Além da
originalidade do projeto, optaram-se pela utilização de matérias primas brasileiras para a
produção destes elementos sensores cerâmicos. Devido às necessidades atuais, foi priorizada a
investigação destes elementos sensores para o monitoramento ambiental de áreas de risco, pois
se sabe que o desenvolvimento de nossa sociedade urbana e industrial, por não conhecer e/ou
respeitar as limitações ambientais, ocorreu de forma desordenada, sem planejamento, à custa de
níveis crescentes de poluição e degradação ambiental [17;18].
5
Neste trabalho, busca-se aliar as tecnologias de confecção, caracterização e
desenvolvimento de elementos sensores de cerâmicas porosas ao monitoramento do conteúdo de
água nos solos em áreas com risco de deslizamento de encostas. O conhecimento do teor de
umidade dos solos, juntamente com outros parâmetros, permitirá o entendimento aprofundado
dos processos de movimentos de massa ocorridos no passado para, com isso, remediá-los no
presente e preveni-los no futuro, evitando novas catástrofes nos períodos chuvosos,
principalmente [19].
O objetivo principal desta tese é investigar as influências da distribuição de tamanho de
poros, da microestrutura e das fases cristalinas presentes na condutividade elétrica dos elementos
sensores cerâmicos relacionada à capacidade de absorção/adsorção de água proveniente de dois
tipos distintos de solos. Estes solos deverão ter a quantidade de umidade variada e serão
submetidos às condições climáticas semelhantes às do local de coleta das amostras dos solos. Os
elementos sensores porosos serão confeccionados pelo processamento cerâmico de compactação
de misturas de pós de ZrO
2
e de TiO
2
por prensagem e sinterização das cerâmicas em
temperaturas adequadas. As matérias primas foram selecionadas com base em: ZrO
2
devido,
principalmente, ao seu caráter anfotérico que promove a adsorção de cátions e ânions [20;21] e
TiO
2
que, além de seu caráter hidrofílico, apresenta a capacidade trocadora de íons [22;23]. As
amostras de solos foram coletadas de um deslizamento de terra ocorrido em uma encosta
localizada no km 30 da rodovia Floriano Rodrigues Pinheiro (SP-123), no município de Santo
Antônio do Pinhal, região serrana do Estado de São Paulo. Segundo o Instituto de Pesquisas
Tecnológicas (IPT), este município apresenta de alta a muito alta suscetibilidade aos processos
de deslizamentos (ou escorregamentos) de encostas [24].
Considerou-se conveniente que este trabalho de tese seja direcionado principalmente à
comunidade que atua na área de materiais e dispositivos sensores, que é a área de pós-graduação
em que está inserido, ou seja, Ciência e Tecnologia de Sensores e Materiais. Desta forma, na
revisão da literatura publicada procurou-se introduzir conceitos e conhecimentos considerados
necessários para uma melhor compreensão das condições ambientais nas quais os sensores a
serem desenvolvidos estarão sujeitos.
6
7
CAPÍTULO 2
SENSORES DE UMIDADE E MEIO AMBIENTE
2.1 OS MATERIAIS E A DETECÇÃO DA UMIDADE RELATIVA DO AR
Os elementos sensores de umidade têm sido, desde a década de 30, vastamente
pesquisados para serem aplicados em diversas áreas, que vão desde indústrias automobilísticas,
de eletro-eletrônicos, têxteis, alimentícias até equipamentos médicos, sistemas de climatização
de ambientes, bem como na automação da produção agrícola e no monitoramento ambiental
[6;7;25].
Na década de 30, Dunmore e colaboradores [26] apresentaram resultados de
investigações sobre sensores de umidade à base de eletrólitos de LiCl (1938). Mais
recentemente, nos anos 80, Seiyama e colaboradores [27] relataram o desenvolvimento de um
sensor de umidade do ar, capacitivo, utilizando cerâmicas porosas como dielétrico. Na década de
90, Anderson e colaboradores [28] desenvolveram um sensor de umidade capacitivo utilizando
silício poroso como dielétrico e, na mesma década, Sakai e colaboradores [29] relataram
desenvolvimentos relacionados à utilização de polímeros como dielétricos.
Atualmente, uma variedade de sensores de umidade, que incluem materiais cerâmicos
(Tabela 2.1); filmes de materiais poliméricos orgânicos, geralmente aplicados como
polieletrólitos ou polímeros dielétricos (Tabela 2.2); eletrólitos, como por exemplo, o LiCl
desenvolvido por Dunmore na década de 30 (Tabela 2.3) e o do tipo compósito cerâmica-
polímero (Tabela 2.4), foram desenvolvidos em diversos países do mundo [30-32]. Entretanto,
todos estes tipos de sensores apresentam vantagens e limitações [6;7]. Os sensores de materiais
poliméricos e eletrólitos, por exemplo, podem ser aplicados apenas em faixas restritas de
temperatura e umidade relativa, para evitar que o material não desagregue fisicamente e, assim,
comprometa sua sensibilidade à umidade [33;34]. No caso dos sensores cerâmicos, as limitações
estão relacionadas ao controle da distribuição de tamanho de poros, mas, em contrapartida, estes
materiais suportam faixas maiores de temperatura e de umidade relativa sem que ocorra a
desagregação de sua estrutura [35]. Estas características praticamente inviabilizam a utilização
de sensores poliméricos, de eletrólitos e compósitos cerâmica-polímero para o monitoramento de
umidade de solos.
8
TABELA 2.1 - Materiais cerâmicos utilizados como elementos sensores de umidade do ar.
MATERIAL
PRINCÍPIO
ELEMENTO
SENSOR
FAIXA
DE
TEMPERATURA
(
o
C)
FAIXA
DE
UMIDADE
RELATIVA
(%)
TEMPO
DE
RESPOSTA
MgCr
2
O
4
-TiO
2
1 10 s
TiO
2
-V
2
O
5
- 15 10 s
ZnCr
2
O
4
-LiZnVO
4
- 30 3 min
SiO
2
-ZnO - 15
HZr
2
(PO
4
)
3
25 a 250 2 10 a 15 s
α-Fe
2
O
3
+Si
- 5
BPO
4
- 35 30 s
MnWO
4
+LiCl 20 40 a 100 -
ZrTiO
4
- 20 a 95 -
MgAl
2
O
4
40 2 a 98 -
α-Hematita
25 0 a 95 -
MgCr
2
O
4
-TiO
2
+
Óxidos Alcalinos
- 20 a 90 10 s
Ba
0,5
Sr
0,5
TiO
3
- 10 a 90 -
Nb
2
O
5
-dopado com
TiO
2
25 ~10 a 95 -
CaTiO
3
- -
TiO
2
-Bi
2
O
3
15 a 85 15 a 95 -
TiO
2
-ZnO-Bi
2
O
3
20 12 a 95 -
TiO
2
-SnO
2
-V
2
O
5
20 12 a 95 -
TiO
2
-ZnO 20 12 a 95 -
TiO
2
-Na
2
CO
3
.10H
2
O 20 12 a 95 -
TiO
2
-ZnO-SnO
2
20 12 a 95 -
TiO
2
-PbO 20 12 a 95 -
TiO
2
-CdO 20 12 a 95 -
TiO
2
-CuO 20 12 a 95 -
ZnO-V
2
O
5
20 12 a 95 -
ZnO-PbO 20 12 a 95 -
ZnO-SnO
2
-V
2
O
5
20 12 a 95 -
ZnO-TiO
2
-Co
2
O
3
20 12 a 95 -
ZnO-TiO
2
-SnO
2
20 12 a 95 -
ZnO-TiO
2
-SnO
2
-Bi
2
O
3
20 12 a 95 -
SnO
2
+ α-Al
2
O
3
+
TiO
2
10 a 50 20 a 100 2 min
BaTiO
3
-BaSnO
3
20 a 40 1 a 100 -
Zirconium Phosphates
and Silicates
30 0 a 90 -
TiO
2
dopado com
metal alcalino
40 4 a 85 -
Impedância
(iônica)
In
2
O
3
0 a 45 35 a 99 -
ZrO
2
-Sulfatado 25 30 a 90 -
Sr
1-x
La
x
SnO
3
300 a 500 1 a 10 ppm 2 min
Impedância
(eletrônica)
ZrO
2
-MgO 400 a 700 10 a 10 ppm 10 s
Al
2
O
3
-10 a 40 1 a 100 10 s
Ta
2
O
5
-MnO
2
-10 a 55 1 a 100 1 min
MnWO
4
-70 a 180 10 a 98 10 s
C
e
r
â
m
i
c
a
s
Capacitância
In
2
O
3
0 a 45 35 a 99 -
Fonte: [11].
9
TABELA 2.2 - Utilização de polímeros como elementos sensores de umidade do ar.
MATERIAL
PRINCÍPIO ELEMENTO SENSOR
FAIXA
DE
TEMPERATURA
(
o
C)
FAIXA
DE
UMIDADE
RELATIVA
(%)
TEMPO
DE
RESPOSTA
2-hidroxi-3metacril-oxipropil
trimetil cloreto de amônia +
ester metacrilico
0 a 40 0 a 100 2 min
Sulfonato de Poliestireno +
Polímero de vinila + N,N’-
metileno-bis-acrilamida
- 0 a 100 -
Polifenilacetileno (PPA) + Iodo -20 a 80 20 a 80 5 s
Poliatinilfluorenol + SnCl
2
30 a 60 20 a 80 -
Oganopolisiloxano retículado 30 a 60 0 a 100 -
Estireno sulfonato de sódio
(NaSS)/Hidroxietil metacrilato
(HEMA)
- 10 a 90 -
Poliestireno sulfonado +
tetrafluoroetileno (PTFE)
- 0 a 100 -
Álcool Polivinilico (PVA) + p-
estirenosulfonato de sódio
(PSSA) ou NaCl ou m-
benzenodisulfonato de disódio
(MBSD)
10 a 50 15 a 95 -
Álcool Polivinilico (PVA) +
carbono
0 a 100 -
Álcool Polivinilico (PVA) 30 0 a 100 ~2 min
Phthalocyaninosilicon (TA) 0 a 100 -
Nafion 0 a 100 -
Poli(dimetil fosfazeno) (PDMP) 25 0 a 100 2 a 3 min
Copolímero de Estireno-vinil
piridina
20 0 a 100 1 a 4 min
Impedância
(iônica)
Polivinil piridina (PVP) - 0 a 100 -
Copolímero de
politetrafluoroetileno-vinil
piridina (PTFE-VP)
- 0 a 100 -
Impedância
(iônica)
Polivinilpiridina reticulada +
1,4-dibromo butano
- 0 a 100 -
Impedância
(eletrônica)
Polímero de acrílico hidrofíllico
reticulado + carbono em
partículas
-10 a 60 94 a 100 10 s
Acetato de celulose (CA) -40 a 115 0 1 s
Poliimida 25 0 1 min
Butirato de acetato de celulose 0 a 50 0 30 s
Poli(N-vinil-2pirrolidona (PVP) 30 0 -
Poli(4-vinilpiridina (P4VPy) 30 0 -
Poli(metil metacrilato (PMMA) 30 0 -
Poli(etileno glicol (PEG) 30 0 -
Propionato de Acetato de
celulose (CAP)
30 0 -
Celulose de etila (EC) 30 0 -
Poli(tereftalato de etileno) (PET)
25 12 0,9 min
Poli(cinnamato de vinila)
reticulado (PVCA)
30 0 30 s
Poli(dimetil fosfazeno) (PDMP) 20 0 5 min
Poliimida reticulada (C-PI) 25 10 30 s
P
o
l
í
m
e
r
o
s
Capacitância
Poliimida fluorado reticulado
(C-FPI)
25 10 30 s
Fonte: [11].
10
TABELA 2.3 - Utilização de eletrólitos como elementos sensores de umidade do ar.
MATERIAL
PRINCÍPIO
ELEMENTO
SENSOR
FAIXA DE
TEMPERATURA
(
o
C)
FAIXA DE
UMIDADE
RELATIVA
(%)
TEMPO
DE
RESPOSTA
LiCl + acetato de
polivinila
-40 a 60 10 a 99 2 a 5 min.
LiCl + pith -20 a 60 10 a 99 5 a 6 min.
LiCl + camada fina de
fibra de vidro
-30 a 50 15 a 99 3 a 10 min.
Zn
2
Al(OH)
6
Cl.nH
2
O 20 a 50 10 a 90 55 s
H
2
V
11
TiO
30.3
.nH
2
O 5 a 45 12 a 97 -
Eletrólitos
Impedância
(iônica)
H
2
V
11
MoO
31.2
.nH
2
O 5 a 45 12 a 70 -
Fonte: [11].
TABELA 2.4 - Utilização de compósito do tipo cerâmica-polímero como elemento sensor de
umidade do ar.
MATERIAL PRINCÍPIO
ELEMENTO
SENSOR
FAIXA DE
TEMPERATURA
(
o
C)
FAIXA DE
UMIDADE
RELATIVA
(%)
TEMPO
DE
RESPOSTA
Compósito
cerâmica-polímero
Impedância
SiO
2
/Nafion - 0 a 100 -
Fonte: [11].
A existência de diversos parâmetros para expressar a presença da umidade, ou melhor, de
princípios de detecção utilizados pelos sensores, hoje em dia, devem-se ao fato de ser muito
difícil achar um material inerte às moléculas de água. Os diversos materiais empregados como
elemento sensor, quando interagem com a umidade, alteram fatores físicos e químicos de sua
composição ou do meio. As moléculas de água, por exemplo, são capazes de modificar o
comprimento das cadeias poliméricas dos materiais orgânicos; a condutividade e a massa de
materiais higroscópicos e absorventes químicos; a capacitância e a impedância dos materiais
dielétricos; a cor de produtos químicos e a condutividade térmica de gases, líquidos e sólidos. A
água, ainda, absorve radiação infravermelho e radiação ultravioleta [36].
Os sensores de umidade do ar mais comumente utilizados são os capacitivos (75 % dos
sensores disponíveis no mercado), seguido pelos resistivos, óticos e acústicos [37]. Os sensores
de umidade que utilizam a capacitância como tipo de detecção são, geralmente, em formato de
sandwich (placa condutora + material dielétrico + placa condutora), como mostrado na Figura
2.1. Neste tipo de detecção, o controle da microestrutura do corpo sensor aliado à escolha
adequada da composição do material utilizado e a relação área da placa condutora/distância entre
11
as placas com configuração do tipo sandwich estão diretamente relacionados com a capacidade
de condução deste tipo de sensor. Desta forma, a capacitância aumenta devido à diferença entre a
constante dielétrica do material utilizado como elemento sensor e a da água (a água tem
constante dielétrica 80, valor maior que a dos materiais utilizados como elementos sensores).
Quanto maior a quantidade de água entre as duas placas condutoras, ou seja, quanto maior o
mecanismo absorção/adsorção da água na microestrutura do sensor, maior a capacitância. As
principais características dos sensores de umidade capacitivos são: (a) boa resposta na medição
da umidade, (b) linearidade em baixas umidades, (c) não são degradados pela condensação, (d)
tamanho pequeno e (e) baixa resistência a contaminantes [38].
FIGURA 2.1 - Sensor do tipo capacitivo de umidade do ar, com configuração de sanduich.
Fonte: adaptada de [38].
Os sensores de umidade resistivos são constituídos de um filme higroscópico, aderido à
superfície externa dos mesmos, cuja resistência varia com a umidade (Figura 2.2). A mudança
incremental na impedância é tipicamente uma função exponencial inversa da umidade. As
principais características apresentadas por este tipo de detecção são: (a) boa resposta na medição
da umidade, (b) linearidade com valores altos de umidade, (c) geralmente não toleram a
condensação, (d) tamanho pequeno, (e) baixo custo, (f) baixa resistência a contaminantes e (g)
histerese [38].
FIGURA 2.2 - Sensor do tipo resistivo de umidade do ar.
Fonte: adaptada de [39].
12
Os sensores óticos são menos comuns que os anteriores e seu princípio de funcionamento
é conhecido como método do espelho resfriado (Figura 2.3), que mede a umidade alterando o
coeficiente de reflexão do espelho à medida que o vapor d’água condensa em sua superfície.
Suas principais características são: (a) excelente reprodutibilidade, (b) precisão alta, (c)
velocidade de resposta alta, (d) histerese reduzida, (e) custo alto, (f) integração complexa, (g)
contaminação do espelho e (h) consumo alto para a fonte termoelétrica [39].
FIGURA 2.3 - Sensor ótico de medição da umidade do ar pelo método do espelho resfriado.
Fonte: adaptada de [39].
Os sensores acústicos de umidade do ar são menos conhecidos e funcionam da seguinte
maneira: aplica-se um campo elétrico em um dos eletrodos, que induz uma deformação mecânica
no substrato piezoelétrico. Essa deformação gera uma onda acústica (ou elástica), conhecida
como onda SAW (Surface Acoustic Wave) ou onda Rayleigh, entre os transdutores interdigitais,
Interdigital Transducer (IDT’s). Portanto, à medida que as moléculas de água se depositam no
filme absorvedor, ocorre uma perturbação na velocidade de propagação acústica entre os IDT’s,
quantificando, dessa forma, a umidade relativa do ar de forma indireta. Na Figura 2.4, observa-se
uma estrutura básica do sensor de umidade do tipo SAW [40].
13
FIGURA 2.4 - Sensor de umidade do tipo SAW (Surface Acoustic Wave).
Fonte: adaptada de [40].
2.2 CERÂMICAS POROSAS COMO ELEMENTOS SENSORES DE UMIDADE
A seleção do material apropriado para ser utilizado como elemento sensor de umidade é
difícil e deve ser baseada em materiais que apresentam sensitividade em uma ampla faixa de
umidade e temperatura e estabilidade nos ciclos térmico e de tempo e quanto a exposição em
ambientes agressivos e a produtos químicos específicos [41]. Neste sentido, as cerâmicas, em
particular os óxidos metálicos, têm mostrado vantagens do ponto de vista de sua resistência
mecânica, resistência quanto ao ataque químico e estabilidade física e química em ambientes
hostis [42] devido, principalmente, à estabilidade de suas fortes ligações químicas. É importante
ressaltar que as cerâmicas possuem uma estrutura única, consistindo de grãos, contornos de
grãos, superfícies e poros, cujo controle permite a obtenção de microestruturas adequadas para
serem utilizadas nos sensores de umidade [43].
As cerâmicas têm sido utilizadas como elementos sensores, principalmente como corpos
porosos sinterizados, preparados pelo processamento cerâmico tradicional, para permitir que a
água passe livremente através de sua microestrutura e ocorra a condensação na capilaridade dos
poros entre as superfícies dos grãos [44]. As técnicas de processamento, combinadas às matérias-
primas adequadas, permitem a otimização do desempenho dos corpos cerâmicos como elementos
sensores de umidade, através do controle de suas propriedades elétricas e das demais solicitações
exigidas [45,46].
2.2.1 MATERIAIS CERÂMICOS
Os avanços tecnológicos e o reconhecimento das propriedades dos materiais cerâmicos
vêm tornando crescente sua utilização em diversas áreas de aplicação, que abrangem desde
cerâmicas estruturais, cerâmicas elétricas a supercondutores.
14
Desde a década de 40, vem sendo realizadas pesquisas de materiais cerâmicos para
aplicações especiais. Os materiais cerâmicos, por sua vez, são materiais inorgânicos, não
metálicos, formados por elementos metálicos e não metálicos, ligados quimicamente entre si,
fundamentalmente por ligações iônicas e/ou covalentes. Os materiais cerâmicos têm
composições químicas muito variadas, desde compostos simples a misturas de várias estruturas
cristalinas complexas ligadas entre si [47,48]. As etapas do processamento cerâmico, como a
morfologia dos pós precursores, a conformação e os ciclos de tratamentos térmicos, afetam
diretamente as propriedades físicas [49]. A correlação entre as propriedades físicas e a estrutura
do corpo cerâmico é de extrema importância para a definição de sua aplicação. Portanto, é
relevante definir a rota a ser escolhida para a preparação destas cerâmicas. A finalidade, no
entanto, é obter homogeneidade química e microestrutura coerente com a aplicação desejada.
2.2.2 CERÂMICAS POROSAS
O interesse em materiais cerâmicos porosos vem aumentando significativamente, devido
a sua ampla aplicação, principalmente como membranas, filtros ambientais, isolantes térmicos,
suporte de catalisadores, materiais estruturais leves, materiais biocerâmicos, absorvedores
acústicos, biorreatores e sensores [49]. Diversas técnicas de processamento cerâmico têm sido
utilizadas para a confecção dos materiais cerâmicos porosos. De modo geral, algumas rotas
clássicas são seguidas, tais como (a) queima de partículas orgânicas, (b) réplica, (c) gelcasting de
espumas cerâmicas, (d) processamento cerâmico tradicional, entre outros [49-51]. No método da
queima de partículas orgânicas, produtos orgânicos são incorporados nos corpos cerâmicos, que
são removidos durante a queima, deixando poros cujo tamanho está associado com as partículas
dos agentes orgânicos. A obtenção das cerâmicas pelo método da réplica consiste na
impregnação de uma suspensão cerâmica em uma esponja, geralmente de poliuretano, sendo que
após a secagem, essa espuma é removida por uma operação de queima, resultando num material
com porosidade aberta e microestrutura semelhante a da esponja precursora. O gelcasting de
espumas cerâmicas consiste basicamente na produção de uma suspensão cerâmica com
monômeros vinílicos e divinílicos, que polimerizam in situ, consolidando o material. Outra
técnica empregada é por coagulação e gelificação de uma espuma cerâmica, onde um agente
espumante é adicionado na suspensão cerâmica e a mistura é intensamente agitada, promovendo
a incorporação de ar e, conseqüentemente, porosidade no material. Geralmente, a maioria dessas
técnicas apresenta limitações no controle do processamento, resultando em estruturas com
arranjos desordenados de poros irregulares, compreendidos em uma ampla variedade de
tamanhos. No processamento tradicional para a obtenção de cerâmica com porosidade controlada
15
são utilizados pós com distribuição de tamanhos de partículas pré-estabelecidos, que juntamente
com o controle de parâmetros como pressão de compactação, tempo e temperatura de
sinterização da cerâmica, permitem a obtenção da microestrutura desejada [48-50].
Cuidados especiais devem ser tomados no processamento de cerâmicas porosas, visto que
os diferentes tipos de poros influenciam nas propriedades dos corpos cerâmicos obtidos. Os
poros podem ser classificados como abertos (conectados á superfície da partícula do pó ou da
peça cerâmica) ou fechados (não se conectam com a superfície da partícula do pó ou da peça
cerâmica). Somente os poros abertos estão em contato físico com o fluido externo à cerâmica. Na
Figura 2.5, são mostrados esquematicamente o poro fechado característico (a) e os diversos tipos
de poros abertos (b, c, d, e, f e g), possíveis de estarem presentes em aglomerados e agregados de
partículas de pós e em cerâmicas porosas.
FIGURA 2.5 - Representação esquemática dos diferentes tipos de poros: (a) fechados ou
isolados, (b) gargalo de garrafa, (c) cilíndricos, (d) afunilados, (e)
interconectados, (f) irregulares. A letra (g) representa a rugosidade da
superfície.
Fonte: adaptada de [52].
Os poros fechados são inacessíveis ao fluxo de líquidos e gases no seu interior, mas
exerce influência sobre as propriedades mecânicas, a densidade, as condutividades térmica e
elétrica. Os poros também podem ser interconectados, como mostrados na Figura 2.5e. Outra
forma de classificação dos poros é de acordo com sua forma: gargalo de garrafa (b), cilíndricos
(c), afunilados (d) e irregulares (f). A rugosidade da superfície (g) também pode ser considerada
como porosidade, uma vez assim como os poros abertos, as suas superfícies têm a função de
aumentar a área superficial exposta do sistema. Como a interação da água (na fase líquida e/ou
16
vapor) com o sólido (sensor) ocorre na superfície do sólido, quanto maior esta superfície maior a
quantidade de interações.
2.2.2.1 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS POROSAS
Para a obtenção de uma cerâmica sinterizada, conformada por prensagem, com
porosidade dentro de certa faixa de tamanhos é necessário o controle da distribuição do tamanho
de partículas do pó precursor e dos parâmetros de processamento: pressão de compactação,
temperatura e tempo de sinterização.
a) Principais características físicas do pó precursor
A forma e o tamanho de partículas do pó precursor são as principais características físicas
do pó precursor para a obtenção de cerâmicas porosa [47,49,53].
Para a obtenção de cerâmicas sinterizadas com poros interconectantes e abertos é
desejável que as formas das partículas do pó sejam irregulares. Desta forma, na etapa de
conformação por prensagem, o empacotamento das partículas do pó promove a formação parcial
de contatos entre as partículas adjacentes. Estes contatos, na etapa de sinterização irão promover
a coesão entre as partículas adjacentes.
A distribuição de tamanhos de partículas do pó desejável deverá estar dentro de uma
faixa de tamanhos que não permita o empacotamento completo de partículas durante a etapa de
conformação. São necessários estudos preliminares para se estabelecer a distribuição de
tamanhos de partículas, que juntamente com a pressão de compactação aplicada, tempo e
temperatura de sinterização, permita obter a distribuição de tamanhos de poros adequada na
cerâmica sinterizada.
Desta forma, o primeiro requisito para a obtenção de cerâmicas porosas são forma e a
distribuição de tamanhos de partículas do pó precursor.
b) Compactação do pó
É necessário, portanto, que a compactação seja cuidadosamente efetuada para minimizar
os gradientes de densidade, devido às próprias características do processo e ao estado de
aglomeração dos pós. Neste sentido, alguns cuidados devem ser tomados, tais como, o uso de
17
lubrificantes para reduzir o atrito do êmbolo (ou pistão) com a parede da matriz; no caso,
utilizou-se estearina e o uso de pré-compactação.
A compactação é uma etapa importante no processamento cerâmico, cujos principais
objetivos são: i) consolidar o pó em um formato e tamanho pré-estabelecido, ii) estabelecer
dimensões finais após a etapa de sinterização, (c) atingir o grau de porosidade desejada e (d)
conferir resistência mecânica suficiente para o manuseio do compactado do pó [47,49,53].
A prensagem uniaxial (Figura 2.6) é a forma mais utilizada para a conformação de peças
no processamento cerâmico devido, principalmente, a sua praticidade, controle dos parâmetros
do processo e à possibilidade de automação. Esta técnica de prensagem consiste na colocação do
pó dentro do molde, denominado de matriz e a aplicação de pressão no pistão (ou êmbolo) para a
compactação do pó. Ambos, a matriz e o êmbolo, possuem formas apropriadas, relacionadas à
forma da peça desejada. Depois que a pressão é retirada, a peça é sacada da cavidade.
FIGURA 2.6 - Esquema de compactação do pó cerâmico em uma matriz de prensagem uniaxial.
Fonte: adaptada de [49].
Na etapa de compactação é estabelecido o parâmetro de pressão de compactação
adequada para se obter uma cerâmica com as características microestruturais e resistência
mecânica almejadas.
c) Sinterização via estado sólido das cerâmicas porosas
A etapa de sinterização é um processo termodinâmico de não equilíbrio, no qual se
promove a coesão das partículas do pó compactado pelo uso de tratamento térmico. Quando o
18
objetivo é se obter um sólido denso, busca-se obter a coesão entre todas as partículas do pó. Para
a obtenção de um sólido poroso, esta coesão deve ser parcial e na quantidade variável [48;53].
A força motriz para o processo de sinterização é a diminuição da energia superficial do
sistema, que pode ocorrer pela redução da área superficial e das interfaces do compacto
(crescimento de grãos) ou pela substituição das interfaces sólido-gás por interfaces sólido-sólido
(densificação), que são menos energéticas.
O processo de sinterização via estado sólido é composto por três estágios: (i) inicial, (ii)
intermediário e (iii) final (Figura 2.7).
a) b)
c) d)
FIGURA 2.7 - Estágios da microestrutura no processo de sinterização. a) partículas soltas de pó,
b) estágio inicial, c) estágio intermediário e d) estágio final.
Fonte: [48].
No estágio inicial ocorre um rearranjo das partículas e a conseqüente formação de
“pescoços” a partir das regiões de contato entre as partículas adjacentes, com redução da área
superficial livre e do tamanho e forma de poros (Figuras 2.7a e 2.7b). No estágio intermediário,
19
as regiões de contato entre as partículas adjacentes (diâmetros dos pescoços) aumentam e ocorre
um crescimento acentuado de grãos e o isolamento dos poros (Figura 2.7c). Finalmente, o
estágio final é caracterizado pela eliminação de poros residuais e o crescimento de grãos (Figura
2.7d) [53].
Para a obtenção de cerâmicas com estrutura porosa o processo de sinterização é
interrompido no final do estágio inicial (Figura 2.7b).
O transporte de massa necessário para efetuar as alterações observadas nos estágios do
processo de sinterização, conforme mostrado na Figura 2.7, é obtido, principalmente, através da
difusão termicamente ativada de átomos (superficial e volumétrica) para as regiões do
“pescoço”. Os mecanismos de transporte de matéria no processo de sinterização são resumidos
na Tabela 2.5 e mostrados esquematicamente na Figura 2.8. Os caminhos de transporte via
difusão atômica são competitivos, ocorrendo normalmente predominância de um sobre os outros
nos estágios do processo [48].
TABELA 2.5 - Mecanismos de transporte de átomos durante o estágio inicial de sinterização.
MECANISMO
CAMINHO
DE
TRANSPORTE
FONTE
DO
MATERIAL
SUMIDOURO
1
difusão pela superfície superfície pescoço
2
difusão pelo volume
(pela rede cristalina)
superfície pescoço
3
evaporação-condensação superfície pescoço
4
difusão pelo contorno de grão
contorno de grão
pescoço
5
difusão pelo volume contorno de grão
pescoço
6
difusão pelo volume discordâncias pescoço
Fonte: [48].
20
FIGURA 2.8 - Caminhos alternativos para o transporte de átomos durante o estágio inicial de
sinterização de partículas.
Fonte: [48].
O diâmetro do “pescoço” entre partículas adjacentes aumenta em função do tempo, no
estágio inicial de sinterização, como mostrado na Figura 2.9. Desta forma, o controle deste
tempo irá determinar o tamanho dos poros e a resistência mecânica da cerâmica porosa.
FIGURA 2.9 - Variação do diâmetro do “pescoço” entre partícula adjacentes em função do
tempo, no estágio inicial de sinterização.
Fonte: [48].
2.2.3 ZIRCÔNIA – ZrO
2
A zircônia (ZrO
2
), denominação química do dióxido de zircônio ou óxido de zircônio é
um material que, desde metade do século XX, vem sendo amplamente utilizado na área das
cerâmicas avançadas devido ás suas excelentes propriedades mecânicas, elétricas, térmicas,
ópticas e químicas [54].
1
2
6
3
5
4
t
4
t
3
t
2
t
1
t
1
< t
2
<
t
3
< t
4
21
A ZrO
2
ocorre na natureza como badeleíta, minério encontrado em depósitos,
principalmente no Brasil, onde foi descoberto por Hussak em 1892 e na África do Sul e como
zircão, encontrado na Austrália, Brasil, Índia, Rússia e Estados Unidos. A badeleíta (ZrO
2
) é um
mineral que cristaliza-se no sistema monoclínico, normalmente apresentando até 2 % (em peso)
de háfnio (na forma de HfO
2
). O zircão, silicato de zircônio (ZrSiO
4
), é um mineral pertencente
ao grupo dos nesossilicatos que cristaliza-se no sistema tetragonal [54].
A zircônia pura, na pressão ambiente, é um cristal polimórfico bem conhecido que ocorre
em três fases cristalinas distintas: monoclínica, tetragonal e cúbica (Figura 2.10); existindo
também, em condições de pressão alta, a fase ortorrômbica [21;54].
a) b) c)
Onde,
:
O
2-
e :
Zr
4+
FIGURA 2.10 - Representação esquemática das estruturas cristalinas da zircônia polimórfica na
pressão ambiente: a) monoclínica, b) tetragonal e c) cúbica.
Fonte: adaptada de [55].
A fase monoclínica é termodinamicamente estável até a temperatura de 1170
o
C, quando
se transforma em tetragonal (estrutura cristalina tipo fluorita distorcida), fase metaestável na
temperatura ambiente com o uso de óxidos estabilizantes e estável na faixa de temperatura que
vai de 1170
o
C até 2370
o
C, quando se transforma na fase cúbica (estrutura cristalina tipo
fluorita), estável na faixa de temperaturas de 2370
o
C até seu ponto de fusão em 2680
o
C,
conforme resumido abaixo [54].
Monoclínica (m) Tetragonal (t) Cúbica (c) Líquido
1170
o
C
2370
o
C 2680
o
C
22
Geralmente, os corpos sinterizados de cerâmicas de zircônia são produzidos com aditivos
que estabilizam as fases de temperatura alta (tetragonal, para aplicações estruturais e cúbica, para
aplicações como eletrólito sólido condutor de íons de oxigênio).
No resfriamento, a estrutura cristalina tetragonal sofre uma transformação do tipo
martensítica para a monoclínica, acompanhada por uma variação volumétrica anisotrópica, cuja
expansão é da ordem de 3 a 5 %. Este aumento no tamanho da cela unitária da zircônia gera um
estado de tensão mecânica de compressão no sistema, aumentando a energia necessária para a
fratura da cerâmica. Este comportamento é conhecido como aumento da resistência mecânica à
fratura induzida por tensão aplicada e confere a este material o nome de cerâmica tenaz [56;57].
A zircônia tem sido utilizada na confecção de ferramentas de corte, refratários, abrasivos,
opacificadores, componentes de bombas e válvulas mecânicas, matrizes de conformação de
metais, meios de moagem e outras aplicações estruturais. No entanto, devido às suas
características de eletrólito sólidos e mecânicas, a ZrO
2
vem sendo largamente empregada na
confecção de bombas de oxigênio, membranas permeáveis ao oxigênio, baterias, catalisadores na
indústria química, eletrólitos sólidos em sensores de espécies químicas, células combustíveis
para produção de energia, revestimentos em turbinas e sensores de umidade. Na medicina e
odontologia é bastante empregada na confecção de próteses ortopédicas e dentárias
(biomateriais) [58].
A zircônia tem chamado atenção devido a uma combinação de características peculiares,
tais como a preservação de sítios ácidos e básicos, com predominância para os sítios de Lewis,
assim como as suas propriedades oxidativas e redutoras que apresentam bom desempenho em
reações de hidrogenação, craqueamento, desidrogenação e hidrodesulfuração [59;60]. No
entanto, os principais usos estão diretamente relacionados à possibilidade de se controlar as fases
cristalinas pela introdução de determinados aditivos, os quais estão associados à mudança do
número de vacâncias de oxigênio [21]. A deficiência de oxigênio é normalmente associada à
presença de íons com menor valência que o Zr
4+
, como Ca
2+
, Mg
2+
e Y
3+
, entre outros, cujos
óxidos apresentam geralmente estrutura cristalina cúbica ou tetragonal [61-63].
23
2.2.4 TITÂNIA – TiO
2
A titânia (TiO
2
), denominação química do dióxido de titânio ou óxido de titânio é um
óxido semicondutor amplamente estudado nas áreas elétricas, óticas e eletroquímicas.
A titânia é produzida a partir de matérias-primas encontradas, principalmente, na
Austrália, África do Sul, Canadá, Noruega, Ucrânia e Brasil, em maior abundância nas formas de
rutílio (TiO
2
) e ilmenita (FeTiO
3
). No Brasil, é encontrada com maior freqüência na forma de
anatásio (TiO
2
), extraída em algumas jazidas de Goiás e Minas Gerais.
O rutílio (TiO
2
) é um mineral que pode conter até 10 % de impurezas e cristaliza-se no
sistema tetragonal. A ilmenita, conhecida também como ortoferrita de titânio (FeTiO
3
), é o
mineral de ocorrência mais comum e abundante, cristaliza-se no sistema hexagonal,
romboédrico. Teoricamente possui 53 % de TiO
2
e 47 % de Fe; pode conter pequenas
quantidades de magnésio e manganês e, em muitos casos, até 6 % em peso de Fe
2
O
3
. O anatásio
é um produto de alteração do rutilo e da broquita, cristaliza-se no sistema tetragonal e contém de
98,4 a 99,8 % de TiO
2
. A broquita é um mineral idêntico ao rutílio e ao anatásio, em termos de
sua composição química, porém cristaliza-se no sistema ortorrômbico [22].
A forma elementar da TiO
2
é polimórfica na pressão e na temperatura ambientes,
apresentando-se em três formas cristalinas distintas: tetragonal (rutílio) e tetragonal (anatásio),
ambas ilustradas na Figura 2.11, e ortorrômbica (broquita) [23].
a) b)
FIGURA 2.11 - Principais estruturas cristalinas da titânia polimórfica na pressão e temperatura
ambientes: a) anatásio e b) rutílio.
Fonte: [55].
24
A fase cristalina do rutílio é termodinamicamente estável em todas as temperaturas,
enquanto que o anatásio e a broquita existem como fases metaestáveis, em temperaturas menores
que 850 ºC [64].
Curiosamente, em todas as fases polimórficas o átomo de titânio encontra-se em
coordenação octaédrica com o oxigênio em unidades de TiO
6
. No entanto, têm comprimentos e
ângulos da ligação Ti-O diferentes e, conseqüentemente, arranjos diferentes dos octaedros TiO
6
na formação da rede cristalina. No anatásio cada octaedro está em contacto com outros 8
vizinhos (Figura 2.12a). No rutílio cada octaedro está em contacto com outros 10 vizinhos
(Figura 2.12b). Os octaedros no rutílio não são exatamente regulares, mostrando uma pequena
distorção ortorrômbica. No anatásio esta distorção é maior, resultando numa simetria menor do
que a ortorrômbica. As distâncias inter-iônicas Ti-Ti são maiores na anatásio (3,79 e 3,04 Å) do
que no rutílio (3,57 e 2,96 Å) e as distâncias Ti-O são ligeiramente inferiores na primeira fase
(1,93 e 1,98 Å) do que na segunda (1,95 e 1,98 Å) [65].
a) b)
FIGURA 2.12 - Principais estruturas cristalinas polimórficas da TiO
2
: (a) anatásio e (b) rutílio.
Fonte: [55].
A Tabela 2.6 mostra a estrutura cristalina e algumas propriedades físicas das
modificações alotrópicas do TiO
2
.
25
TABELA 2.6 - Estrutura cristalina e algumas propriedades físicas das três modificações
alotrópicas do TiO
2
.
RUTÍLIO BROQUITA ANATÁSIO
Célula unitária Tetragonal
Ortorrômbico
Tetragonal
Distância atômica (Å)
a = 4,5937
c = 2,9619
a = 9,185
b = 5,447
c = 5,143
a = 3,785
c = 9,514
Densidade (g/cm
3
)
4,245 4,119 3,893
Volume molar (cm
3
/mol)
18,817 19,393 20,519
Calor de formação ∆H
o
298
(kJ/mol)
945 942 939
Constante dielétrica (ε)
110 78 48
Fonte: [66,67].
O TiO
2
vem despertando grande interesse por apresentar propriedades muito
interessantes, como sua baixa reatividade química, seu alto índice de refração à luz visível, sua
semicondutância fotossensível, possuindo aplicações em dispositivos óticos, células solares,
catalisadores, como varistores de baixa voltagem e sensores de gases e de umidade. As
aplicações da titânia como sensores de gases recaem, principalmente, na detecção de oxigênio
[68;70] e, com menos freqüência, de etanol e de metanol [71]. O sensoriamento da umidade pela
titânia se deve, além do seu já conhecido caráter hidrofílico,
também a sua capacidade de
trocadora de íons [72].
Na indústria, o óxido de titânio é amplamente utilizado em ambas as formas, anatásio e
rutílio. Na forma rutílio, termodinamicamente mais estável, é o pigmento branco utilizado na
produção de tintas, plásticos, borrachas e cosméticos. Na forma anatásio é um importante suporte
catalítico [73,74].
2.3 PROCESSOS DE ADSORÇÃO DE MOLÉCULAS DE ÁGUA EM SUPERFÍCIES DE
ELEMENTOS SENSORES CERÂMICOS
O entendimento dos processos de adsorção das moléculas de água nas superfícies dos
poros de óxidos metálicos está diretamente relacionado ao estudo e desenvolvimento de
elementos sensores cerâmicos de umidade [46].
26
A adsorção superficial é o termo utilizado para descrever o fenômeno no qual moléculas
que estão presentes em um fluido no estado líquido ou gasoso, depositam-se espontaneamente
sobre uma superfície sólida. Geralmente, a adsorção superficial ocorre como resultado de forças
não balanceadas na superfície do sólido e que atraem as moléculas de um fluido em contato por
um tempo finito.
O fenômeno da adsorção é conhecido desde o século XVIII, quando se observou que
certa espécie de carvão retinha em seus poros grandes quantidades de vapor d’água, o qual era
liberado quando submetido ao aquecimento. Nas últimas décadas, com o avanço das pesquisas e
do conhecimento nas áreas meteorológicas, geológicas, eletroquímica e petroquímica, conversão
de energia, química de corrosão, catálises heterogêneas, bem como o acentuado desenvolvimento
registrado na área de monitoramento ambiental, a adsorção passou a ser utilizada como uma
operação unitária importante dentro da engenharia de materiais, devido a sua utilização para o
desenvolvimento de materiais especiais utilizados, principalmente, como elementos sensores de
umidade [75;76].
As formas de adsorção da água nas superfícies cerâmicas, em particular de óxidos
metálicos, são as grandes responsáveis pelas mudanças nas propriedades elétricas dessas
superfícies, permitindo o uso destes materiais como sensores de umidade, seja qual for seu
princípio de operação (capacitivo ou resistivo). A compreensão dos mecanismos de adsorção de
água nas superfícies destes sólidos torna possível o aprimoramento de modificações na
microestrutura destas cerâmicas e a escolha adequada das suas composições químicas. O
controle destes parâmetros permite a otimização do desempenho dos elementos sensores
cerâmicos, através da exploração de suas propriedades elétricas.
2.3.1 ESTRUTURA DA MOLÉCULA DE ÁGUA
A água é um composto molecular binário, cuja molécula é formada por um átomo de
oxigênio e dois de hidrogênio. Os dois átomos de hidrogênio estão unidos ao oxigênio por meio
de duas ligações covalentes. Esta ligação ocorre, segundo Lewis [77], quando o par de elétrons é
compartilhado pelos dois átomos, isto é, os elétrons interagem com os dois núcleos. Em outras
palavras, os dois átomos ficam juntos porque ocorre interação coulômbica entre os dois elétrons
e os núcleos. A estabilidade, por sua vez, é atingida quando os dois elétrons, inicialmente
27
ocupando os orbitais de seus respectivos átomos (orbitais atômicos), passam a interagir de
maneira construtiva entre si (orbitais moleculares) (Figura 2.13).
FIGURA 2.13 - Orbitais moleculares da água.
Fonte: adaptada de [78].
O ângulo entre as duas ligações O-H é de 104,5
o
(Figura 2.14). Este ângulo é próximo ao
calculado pelo modelo da hibridização de orbitais atômicos. Neste caso, o oxigênio estaria
hibridizado em sp
3
, sendo que dois orbitais já estariam preenchidos com elétrons não ligantes
(pares de elétrons livres) (Figura 2.13). O ângulo esperado deveria ser semelhante ao da
configuração tetraédrica do gás metano, 109° 28" (Figura 2.15), por exemplo, mas como a
repulsão entre estes pares eletrônicos livres é maior do que a repulsão dos pares compartilhados
da molécula da água, o ângulo entre as duas ligações covalentes sofre um pequeno desvio (de
109° 28" para 104,5
o
) [77].
FIGURA 2.14 - Ângulo das ligações da molécula de água.
Fonte: adaptada de [78].
28
FIGURA 2.15 - Configuração tetraédrica da molécula metano.
Fonte: adaptada de [78].
Os elétrons que formam os orbitais moleculares, na água, não são igualmente
compartilhados entre os átomos, pois o oxigênio é mais eletronegativo, exercendo uma maior
atração sobre eles. A conseqüência é uma distribuição eletrônica heterogênea na molécula,
resultando em uma densidade de carga negativa (δ-) sobre o átomo de oxigênio e densidades de
carga positiva (δ+) sobre os átomos de hidrogênio (Figura 2.16). Esta propriedade, somada ao
ângulo de ligação, mencionado acima, torna a molécula da água polar (o grau de polaridade da
molécula é dado pelo seu momento dipolar e medido em Debye) [77].
FIGURA 2.16 - Gradiente de polaridade da molécula de água.
Fonte: adaptada de [78].
Outra importante característica da molécula de água é a sua capacidade em formar
interações intermoleculares muito fortes, conhecidas como ligação hidrogênio. No caso da
aproximação entre duas moléculas de água, tem-se: como as ligações O-H são polares, o átomo
de oxigênio, que é eletronegativo, atrai fortemente os elétrons da ligação, deixando o átomo de
hidrogênio quase completamente desprotegido. Como este último é pequeno, ele pode se
aproximar bastante, com sua carga parcial positiva, de um dos pares isolados de elétrons do
átomo de oxigênio de outra molécula de água. O par isolado de elétrons e a carga parcial positiva
atraem-se fortemente e formam a ligação em questão (Figura 2.17) [77].
29
FIGURA 2.17 - Ligação hidrogênio entre moléculas de água.
Fonte: adaptada de [78].
O estado líquido da água tem uma estrutura complexa e dinâmica. A forte e extensa
ligação hidrogênio entre as moléculas produz um valor muito alto de certas propriedades físicas,
tais como temperatura de ebulição, viscosidade, tensão superficial e calor específico. A água tem
interações fortes com papel, madeira, tecido, cerâmica, entre outros, porque as moléculas da
superfície desses materiais formam ligações hidrogênio que podem substituir algumas das
ligações hidrogênio das moléculas de água e, também, formam interações devido ao
comportamento da molécula de água como um ácido ou uma base de Lewis, ou seja, aceitando
ou doando par de elétrons, respectivamente, dependendo do material com o qual a água se
relaciona quimicamente. Como resultado dessas interações, a água maximiza seu contato com
esses materiais e se espalha sobre eles. Em outras palavras, a água os molha [77].
2.3.2 SUPERFÍCIES SÓLIDAS
As superfícies são consideradas como imperfeições bidimensionais ou, mais
precisamente, como defeitos de interfaces, pois separam as regiões dos materiais que possuem
diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas e/ou de outra substância química
e/ou de outro estado da matéria [79]. O comportamento de um átomo, no interior de um cristal, é
influenciado por todos os átomos adjacentes. Os átomos que se localizam na superfície de um
material possuem número de vizinhos diferente daqueles existentes no interior do mesmo e,
dessa forma, comportam-se de maneira diferente (Figura 2.18a). O átomo da superfície não está
ligado ao número máximo de vizinhos mais próximos (número de coordenação) tendo, portanto,
várias das suas ligações interrompidas (Átomo 1), enquanto os átomos localizados no interior da
estrutura estão com todas as ligações satisfeitas (Átomos 2 e 3) (Figura 2.18b) [80;81]. Desta
forma, as ligações químicas associadas aos átomos ou moléculas situados na superfície de um
sólido são insaturadas e, portanto, possuem alta atividade física e química. Esta atividade
aumenta a possibilidade das espécies químicas situadas na superfície de sólidos de se interagirem
30
com os átomos ou moléculas do meio adjacente. A intensidade das forças interatômicas atuantes
no interior do sólido são maiores do que as forças atuantes na sua superfície, o que torna as
interações com as espécies adsorvidas em sua superfície mais fracas [79].
a) b)
FIGURA 2.18 - a) Interação dos átomos na superfície e no interior de um sólido e b) átomos em
detalhe mostrando as interações entre eles.
Fonte: adaptada de [79].
Tais diferenças de comportamento podem ser explicadas pelos valores diferentes de
energia dos átomos superficiais e dos átomos do reticulado (Figura 2.19).
FIGURA 2.19 - Variação da energia do átomo em função da sua profundidade em relação à
superfície do corpo sólido.
Fonte: adaptada de [79].
31
Há numerosas conseqüências que decorrem dessas diferentes relações de energia e, entre
elas, três são de fundamental importância: primeiramente, ocorre a adsorção superficial. Em
segundo lugar, as áreas das regiões situadas na superfície tendem a diminuir, de modo a reduzir a
energia superficial. E, em terceiro lugar, algumas trocas iônicas podem acontecer.
No caso da superfície de óxidos metálicos, em especial, os átomos de oxigênio e os
átomos metálicos situados na superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais
próximos e estão, portanto, em um estado de maior energia do que os átomos nas posições
interiores (Figura 2.20). A superfície repleta de ligações interrompidas dá origem a um excesso
de energia de superfície, que é expressa em unidades de energia por unidade de área (J/m
2
,
erg/cm
2
ou cal/m
2
), que as tornam reativas possibilitando, com isto, a adsorção de moléculas de
água [80;81].
Onde,
: O
2-
e : M
n+
FIGURA 2.20 - Superfície de óxidos metálicos em contato com o ar.
Fonte: adaptada de [75].
2.3.3 MECANISMOS DE ADSORÇÃO DE MOLÉCULAS DE ÁGUA EM SUPERFÍCIES
DE ÓXIDOS METÁLICOS
Os elementos sensores cerâmicos de umidade, quando expostos à ambientes úmidos,
permitem que as moléculas de água passem livremente através de sua microestrutura porosa, por
ação capilar, interagindo quimicamente com os sítios ativos disponíveis (grãos e contornos de
32
grãos) e, posteriormente, fisicamente, levando a condensação capilar nos poros entre as
superfícies dos grãos [46].
As etapas do mecanismo de adsorção de moléculas de água em superfícies de óxidos
metálicos são mostradas na Figura 2.21.
Nas Figuras 2.21a e 2.21b, observa-se que, quando estas superfícies entram em contato
com a água, os oxigênios destas moléculas são atraídos eletrostaticamente pelos átomos
metálicos da superfície, devido ao momento dipolo do oxigênio (δ-) e pelas forças não
balanceadas da superfície do sólido que faz com que esta superfície se comporte como um ácido
de Lewis (δ+). A carga parcial negativa do átomo de oxigênio da água é atraída pelo metal da
superfície do sólido e as cargas parciais positivas dos átomos de hidrogênio da molécula de água
são repelidas. Presume-se, por isso, que as moléculas de água se aglomerem ao redor do átomo
metálico, com os átomos de oxigênio apontando para o interior e os átomos de hidrogênio
apontando para o exterior desta nova superfície [41]. Em seguida, na Figura 2.21c, as moléculas
de água são adsorvidas quimicamente em sítios disponíveis da superfície do óxido metálico
preferencialmente nos contornos de grãos do cristal, através de ligações covalentes entre o
oxigênio da água e o metal da superfície cerâmica. Neste caso, as moléculas de água se
comportam como uma base de Lewis, pois doam um par de elétrons para a superfície de óxidos
metálicos que, por sua vez, comportam-se como um ácido de Lewis (como já mencionado
anteriormente), recebendo o par de elétrons [77]. No momento em que ocorre a ligação covalente
entre o oxigênio e o metal, a ligação O-H da molécula de água é rompida, a fim de recuperar um
elétron, já que na formação da ligação M-O, o oxigênio cede um elétron, adquirindo assim uma
carga positiva. Através deste mecanismo dissociativo, formam-se dois íons de hidroxila (OH
-
)
para cada molécula de água. Em cada molécula de água, o grupo hidroxila (-OH) adsorve sobre
os metais presentes na camada superficial dos grãos (Figura 2.21d), que possuem alta densidade
de carga local e um campo eletrostático forte, e o próton reage com o oxigênio da superfície de
óxidos metálicos adjacente para formar um segundo grupo -OH
(Figuras 2.21e e 2.21f). A
camada adsorvida quimicamente, uma vez formada (Figura 2.21g), não é mais afetada pela
exposição à umidade.
Quando é formada a camada de hidroxilas (-OH), adsorvida quimicamente, as camadas
subseqüentes de moléculas de água são fisicamente adsorvidas sobre ela, através de ligações
33
hidrogênio. A água adsorvida fisicamente facilmente se dissocia para formar um hidrônio (H
3
O
+
)
por causa dos altos campos eletrostáticos na camada adsorvida quimicamente. A primeira
camada de moléculas de água adsorvida fisicamente é caracterizada pela dupla ligação
hidrogênio de uma molécula de água simples. A monocamada adsorvida fisicamente muda para
multicamada à medida que a quantidade de água absorvida pela microestrutura porosa do
elemento sensor aumenta. As moléculas de água nas camadas sucessivas são apenas
isoladamente ligadas e apresentam comportamento de líquido (Figura 2.21h). Por essa razão, as
moléculas de água ligadas isoladamente são capazes de formar dipolos e reorientar-se,
livremente, sob um campo elétrico aplicado externamente, resultando em um aumento na
constante dielétrica [41].
A adsorção física de moléculas de água na superfície deste tipo de sólido pode acontecer
em temperaturas menores que 100
o
C. Em temperaturas mais altas que 100
o
C, a adsorção
química de moléculas de água torna-se dominante. Os grupos -OH da superfície começam a
dessorver em aproximadamente 400
o
C [46]. Desta forma, até esta temperatura a adsorção
química de água na superfície de sólidos de óxidos metálicos é estável.
34
a) b)
c) d)
e) f)
g) h)
FIGURA 2.21 - Etapas do mecanismo de adsorção de moléculas de água em superfícies de
óxidos metálicos.
Fonte: baseada em [75;76].
35
2.3.4 INTERAÇÃO DAS SUPERFÍCIES DOS POROS DO ELEMENTO SENSOR
CERÂMICO COM AS MOLÉCULAS DE ÁGUA
As cerâmicas de óxidos metálicos devem possuir a maior área superficial possível para
permitir a adsorção química e física das moléculas de água, com eficiência, as quais serão
responsáveis pela condutividade elétrica superficial no elemento sensor de umidade. O aumento
desta área superficial é obtido pelo aumento da quantidade de poros, que devem ser conectados
entre si e com a superfície da cerâmica (poros abertos e/ou poros interconectantes). Em se
tratando de elementos sensores cerâmicos de óxidos metálicos, em particular, a interação entre os
átomos das superfícies expostas dos poros abertos e/ou interconectantes e as moléculas de água
são de fundamental importância. Sendo assim, para que ocorra maior sensibilidade dos sensores
cerâmicos com relação às moléculas de água, é necessário a máxima ocupação dos sítios ativos
das paredes dos poros do elemento sensor pela água, através de sua capacidade de molhamento
(forças de adesão > forças de coesão) [46]. Desta forma, a presença de poros abertos e/ou
interconectantes facilita a absorção das moléculas de água, existentes em ambientes úmidos, para
dentro da microestrutura do elemento sensor cerâmico e, conseqüentemente, favoreçam as
adsorções química e física em sua parede pelas fortes interações entre as moléculas polares da
água e pelo desbalanceamento de cargas existentes na superfície dos poros de óxidos metálicos
[77]. Portanto, a quantidade de água condensada depende dos tamanhos de poros disponíveis e
da sua distribuição. É possível estimar o raio do poro em que a condensação capilar ocorre em
temperaturas diferentes pela Equação de Kelvin (Equação 2.1) [82]:
k
s
r
RTln
2 M
ρ
ρ
ρ
γ
=
(2.1)
Onde,
r
k
= raio de Kelvin;
γ = tensão superficial (72,75 dyn.cm
-1
em 20
o
C);
M = peso molecular da água;
ρ = densidade;
R = constante dos gases;
T = temperatura;
ρ
s
= pressão do vapor d’água em saturação e
ρ = pressão do vapor d’água.
36
A condensação da água ocorre em todos os poros com valores de raio até r
k
, em dadas
temperaturas e pressões de vapor d’água. Quanto menor o valor de r
k
, ou quanto mais baixa a
temperatura, mais facilmente ocorre à condensação na superfície do sólido. Em temperatura
ambiente (25
o
C) e de acordo com a equação de Kelvin, a condensação começa a ocorrer nos
mesoporos com tamanho de 2 nm quando a umidade relativa está em torno de 15 % e continua
até atingir os poros com tamanho de 100 nm, sob atmosfera saturada. Estes mecanismos de
interações físicas entre as moléculas de água e as superfícies dos óxidos são largamente
admitidos como sendo os fundamentos dos mecanismos de operação de uma larga faixa de
diferentes materiais sensores de umidade [83].
2.3.5 MECANISMOS DE CONDUÇÃO NOS ELEMENTOS SENSORES DE UMIDADE
A análise abrangente das características de uma ampla gama de diferentes materiais
sensores de umidade, dopados e não dopados, resistivos e capacitivos, indicam que todos estes
elementos sensores operam por meio dos mesmos mecanismos físicos, tendo como as principais
distinções o tipo de material do substrato e a geometria dos poros [83,84]. Em umidade baixa, os
íons pequenos (por exemplo, Zr
4+
ou Ti
4+
), presentes na camada superficial, possuem alta
densidade de carga local e um campo eletrostático forte, e representam sítios muito ativos para a
adsorção química das moléculas de água. Na exposição a ambientes úmidos, as moléculas de
água, fortemente ligadas, rapidamente ocupam os sítios disponíveis na superfície. Esta camada,
uma vez formada, não é mais afetada pela exposição à umidade, mas pode ser termicamente
dessorvida.
Uma vez formada a primeira camada, as camadas subseqüentes de moléculas de água são
fisicamente adsorvidas. A água adsorvida fisicamente dissocia-se, conforme Equação 2.2, devido
aos altos campos eletrostáticos na camada adsorvida quimicamente.
( ) ( ) ( )
2 3
2
l aq aq
H O H O OH
+ −
←→ +
(2.2)
Estima-se que a fração dissociada é da ordem de 1 %, ou um fator de 10
6
maior que
aquele da água líquida [83]. O transporte de carga ocorre quando o H
3
O
+
libera um próton,
conforme Equação 2.3, para a molécula de água vizinha e o aceita enquanto libera outro próton,
e assim por diante. Isto é conhecido como reação em Cadeia de Grotthuss (Grotthuss Chain). A
idéia é representar o mecanismo de condução em água líquida assim como nas camadas
37
superficiais de óxidos sensitivos à umidade. Em umidade relativa alta (por exemplo, U.R. > 40
%) a água líquida condensa nos poros, como já descrito, e a condução eletrolítica ocorre em
adição ao transporte protônico nas camadas adsorvidas fisicamente. Agora, em umidade relativa
baixa, o mecanismo de condução que ocorre é o iônico. Neste tipo de mecanismo, o transporte
protônico (reação em Cadeia de Grotthuss) ocorre na camada adsorvida quimicamente
necessitando, portanto, de altas energias para liberar os prótons provenientes dos grupos
hidroxílicos formados na superfície de óxidos metálicos.
3
2
H O H OH
+ + −
←→ +
(2.3)
Os mecanismos de envelhecimento nos sensores cerâmicos de umidade incluem a
adsorção de contaminantes, preferencialmente nos sítios catiônicos; a perda de cátions da
superfície devido à vaporização, solubilidade e difusão, ou o recozimento para uma estrutura
menos reativa; e a migração dos cátions para pontos distantes da superfície por causa da difusão
térmica.
Geralmente, quanto mais sensível à umidade é um material mais susceptível é a sua
tendência ao envelhecimento. Este é um problema significante para os dispositivos na prática,
primeiramente porque os mecanismos sensores dependem das mudanças que ocorrem nas
superfícies onde as moléculas de água são adsorvidas. Diferentes reações de superfície, com a
cinética alterada, podem ocorrer quando os contaminantes atmosféricos estão presentes [46].
2.4 CONCEITO DE SOLO
O solo, dependendo dos objetivos e enfoques científicos, tem sido interpretado de
maneiras diversas: produto do intemperismo físico e químico das rochas (Geologia); material
escavável, que perde sua resistência quando em contato com a água (Engenharia Civil); camada
superficial de terra arável, possuidora de vida microbiana (Agronomia) [85].
De modo geral, considerando a importância dos fatores de formação, o solo pode ser
definido como corpos dinâmicos naturais que possuem características decorrentes das influências
combinadas de clima e atividades bióticas, modificadas pela topografia, que atua sobre os
materiais originários, ao longo de certo período de tempo [86].
38
2.4.1 COMPOSIÇÃO DO SOLO
Os solos são constituídos de proporções e tipos variáveis de minerais, gases, água e
matéria orgânica. A matéria sólida mineral é, preponderantemente, proveniente de rochas
desagregadas no próprio local ou em locais distantes, trazidas pela água e pelo ar
(intemperismo). A parte líquida do solo é fundamentalmente constituída por água proveniente de
precipitações tais como chuvas, sereno, neblina, orvalho e degelo de neve e geleiras, que
contenham em solução substâncias originalmente presentes nas fases sólidas e gasosas. A parte
gasosa do solo é proveniente do ar existente na superfície e, em proporções variáveis, dos gases
da biodegradação de matéria orgânica nos quais predomina o dióxido de carbono (biodegradação
aeróbia) e outros como o metano (biodegradação anaeróbia). A parte orgânica é proveniente da
queda de folhas, frutos, galhos e ramos, além de restos de animais, excrementos e outros
resíduos, em diferentes estágios de decomposição, em fase sólida ou líquida. A proporção de um
dos componentes pode variar de um solo para outro. Mesmo em um solo de determinado local as
proporções de água e ar variam sazonalmente, com os períodos de maior ou menor precipitação
[87]. Em termos médios de ordem de grandeza, os componentes podem ser encontrados na
proporção como mostrado na Figura 2.22.
FIGURA 2.22 - Composição volumétrica de um solo.
2.4.2 FORMAÇÃO DO SOLO
A formação dos solos é resultante da ação combinada de cinco fatores:
1) Clima, condicionando principalmente a ação da água da chuva e da temperatura;
2) Materiais de origem, condicionando a circulação interna da água e a composição e
conteúdo mineral;
3) Organismos, vegetais e animais, interferindo no microclima, formando elementos
orgânicos e minerais, e modificando as características físicas e químicas;
39
4) Relevo, interferindo na dinâmica da água, no microclima e nos processos de erosão e
sedimentação;
5) Tempo, transcorrido sob ação dos demais fatores.
Na sua atuação, os quatro primeiros fatores imprimem, ao longo do tempo (idade),
características que definem os estágios de sucessão por meio de sua profundidade, composição e
propriedades e do que se denominam horizontes do solo. A Figura 2.23 esquematiza a forma
como ocorre esse processo. Para determinadas condições de relevo, organismos presentes e
material de origem, o intemperismo aumenta continuamente a profundidade do solo a
velocidades crescentes com a pluviosidade, a umidade e a temperatura. No solo formado à
superfície começam a estabelecerem-se os vegetais e microorganismos. A lixiviação (transporte
por meio da água que infiltra e percola no solo) faz a translocação das frações mais finas do solo
(argilas, especialmente) e a remoção de sais minerais. As frações mais grossas (arenosas)
permanecem na parte superior. Em conseqüência, formam-se estratos com aparência diferente,
constituindo os horizontes [5,87].
FIGURA 2.23 - Formação característica de um solo e a diferenciação de horizontes.
Fonte: [88].
Esses horizontes podem ser identificados por letras, de acordo com suas características.
Em um perfil hipotético podem apresentar-se como os da Figura 2.24. Na realidade, nem sempre
todos estão presentes e são facilmente identificáveis. Quando o solo atinge seu clímax é que
esses horizontes apresentam-se de forma mais evidente e são identificáveis em maior número.
40
O estágio de formação do solo tem implicações bastante diversas e marcantes, por
exemplo, sobre o ciclo hidrológico e sobre o regime dos cursos de água em uma região. Nas
regiões áridas, em que o intemperismo é menos intenso, os solos tendem a ser menos profundos.
Quando ocorre uma precipitação sobre um desses solos os poros são rapidamente preenchidos
por água (poros saturados de água) e o escoamento na superfície passa a ser o único caminho das
águas precipitadas. Como o escoamento é rápido, as águas logo se acumulam em grandes
volumes nos fundos dos vales, provocando, por exemplo, as grandes enchentes (e/ou
inundações). Cessada a chuva, o curso de água passa a ser alimentado apenas pela água
acumulada nos poros do solo [87].
FIGURA 2.24 - Horizontes de um perfil hipotético de solo.
Fonte: [89].
A mesma precipitação, caindo sobre um solo profundo, poderá não causar a enchente
(e/ou inundações) e ser suficiente para manter a alimentação do curso d’água durante todo o
período de estiagem devido ao maior volume de água acumulado nos poros desse solo.
Por fim, é importante destacar alguns aspectos que diferenciam os solos de regiões
climáticas distintas. Os climas equatoriais e tropicais, devido à temperatura, umidade e
pluviosidade que os caracterizam, favorecem não só o intemperismo acelerado (e os solos mais
profundos e mais ‘velhos’), mas também intensificam a fotossíntese. Em comparação com as
41
áreas de maior latitude e clima temperado, as regiões equatoriais têm uma densidade total de
matéria orgânica similar. A diferença reside na sua distribuição, pois enquanto nas regiões
equatoriais a vegetação luxuriante contém boa parte da matéria orgânica, nas temperadas grande
parte da matéria orgânica está no solo. Conseqüentemente, é mais provável que os horizontes
orgânicos (horizonte A) sejam mais espessos em climas temperados. É, portanto, diverso o
impacto ecológico da remoção da cobertura vegetal nativa em uma região tropical e em uma
região temperada. No caso da primeira, o empobrecimento decorrente da exportação da matéria
orgânica na forma de vegetação é bem maior [5].
2.5 INFLUÊNCIAS DO CLIMA NA DINÂMICA SUPERFICIAL TERRESTRE
O estudo dos climas permite analisar a intensidade dos processos que atuam na superfície
terrestre, como também a sua distribuição no espaço. A velocidade da alteração das rochas ou
intemperismo, por exemplo, é fortemente condicionada pela temperatura e precipitação, assim
como pela umidade relativa do ar. Portanto, neste item será dado um breve esclarecimento a
respeito do clima, fundamental para a compreensão dos processos de dinâmica superficial [90].
O clima de uma região é o resultado de condições meteorológicas que são típicas, em
uma série de anos, e é governado pela radiação solar no topo da atmosfera, pela composição da
atmosfera e pela estrutura da superfície terrestre [91].
Os cinco principais fatores que determinam o clima de uma região são: (a) a latitude, que
determina o ângulo de incidência dos raios solares; (b) os ventos predominantes, que distribuem
o ar dos trópicos e o ar dos pólos; (c) as massas continentais, que se aquecem e se resfriam mais
rapidamente que as superfícies oceânicas; (d) as correntes marinhas, que exercem papel
moderador, transferindo calor do equador para regiões mais frias e transferindo o frio dos pólos
para regiões mais quentes; (e) o efeito da topografia, que contribui para a elevação das massas de
ar e, consequentemente, para a condensação e precipitação.
2.5.1 CLIMA NO BRASIL
O Brasil, por sua grande extensão territorial, abrange climas diversificados, desde os
temperados, com quatro estações bem definidas no Sul, aos semi-áridos do Nordeste e
equatoriais quentes e úmidos na Amazônia. A maior parte do território, contudo, caracteriza-se
42
pelo clima do tipo tropical, com duas estações definidas pela pluviosidade, uma seca durante o
inverno e uma chuvosa no verão, como ocorre nas regiões Sudeste e Centro-Oeste.
De forma genérica, pode-se afirmar que, no clima tropical, as temperaturas são altas e
relativamente estáveis durante o ano, ao contrário das precipitações, que apresentam grande
variabilidade, tanto espacial como temporal, sendo, por isso, consideradas o parâmetro, ou
evento meteorológico, de maior interesse nas regiões tropicais [90].
a) Temperatura
Grande parte das variações da temperatura relaciona-se à radiação solar que é absorvida
pela superfície e refletida para a atmosfera. A radiação solar é mais intensa próximo ao equador,
decrescendo na direção das altas latitudes.
A diferença de temperatura entre o verão e o inverno recebe o nome de amplitude térmica
média. Próximo ao equador, a amplitude média é pequena, em torno de 1
o
C, aumentando com a
latitude e atingindo valores próximos de 10
o
C no Rio Grande do Sul.
A temperatura pode ser modificada por diversos fatores, entre eles a continentalidade,
que se reflete nas altas temperaturas observadas na Região Centro-Oeste no verão, com uma
amplitude térmica média superior às regiões localizadas próximas ao litoral; a radiaçõa solar e as
invasões de massas frias que fazem as temperaturas caírem próximo a 0
o
C, com ocorrências de
precipitações sob a forma de neve no planalto de Vacaria – Lajes – São Joaquim, na Região Sul
e, por fim, outro importante modificador da temperatura é o relevo, pois, durante o verão,
observa-se uma maior influência da altitude que condiciona temperaturas médias mais baixas,
como ocorre, por exemplo, na Região Nordeste, na superfície mais elevada de Borborema, com
temperaturas médias de 22
o
C [90].
b) Precipitação
Os índices pluviométricos apresentam diferenças consideráveis dentro do território
brasileiro, com áreas do Nordeste recebendo menos que 500 mm anuais, como na região do Raso
da Catarina, e áreas da Amazônia-litoral dos estados do Pará e Amapá e extremo noroeste do
Estado do Amazonas – com valores superiores a 3.500 mm anuais. Contudo, a maior parte do
país recebe entre 1.000 e 2.000 mm de chuva, anualmente.
43
As maiores médias anuais concentram-se na Região Sudeste, em trechos da Serra da
Mantiqueira, cujos valores podem atingir 4.000 mm anuais, resultantes de uma conjugação da
penetração de massas de ar úmido no continente e de seu contato com as serras próximas ao
litoral [90].
2.5.2 PRECIPITAÇÃO E A DINÂMICA SUPERFICIAL
As relações entre os parâmetros climáticos, particularmente a precipitação, e a dinâmica
supeficial, apesar de ainda não serem plenamente compreendidas, são conhecidas e enfatizadas
em vários trabalhos que abordam aspectos relativos à degradação dos solos, à sedimentação de
reservatórios e a danos à rede viária.
Os movimentos de massa, por sua vez, caracterizam-se por um conjunto de processos que
deslocam solos e rochas pela vertente e podem ser contínuos, episódicos ou catastróficos.
Normalmente são associados a chuvas intensas e, ocorrem sujeitos a uma série de condicionantes
e agentes deflagradores (item comentado mais adiante).
Estudos sobre os escorregamentos da Serra do Mar demonstraram a contribuição das
chuvas para o desencadeamento desse processo. Verificou-se que nem sempre as chuvas intensas
(superiores a 25 mm/hora) relacionavam-se aos escorregamentos, como era frequentemente
citado na literatura. A maior parte dos casos ocorridos naquela região associavam-se com o
“estacionamento” das frentes frias com o regime de chuva contínua, porém de fraca intensidade,
durante dois a quatro dias, alternada com chuvas ocasionais de alta intensidade.
Para a Serra do Mar, Tatizana et al. definiram a seguinte equação (Equação 2.4) [92]:
( )
b
I Ac K Ac
−
= ×
(2.4)
Onde,
I: intensidade horária (mm/h);
Ac: acumulada de chuva em quatro dias anteriores (mm);
K e b: constantes da relação geométrica. Variam com as características geotécnicas das encostas
e as condições climáticas. Para a Serra do Mar, K: 2603 e b: 0,533.
44
A análise dessa função mostra que o aumento de saturação do solo provoca uma
dimunuição da intensidade horária suficiente para o desencadeamento de escorregamentos, não
em uma relação linear, mas sim geométrica.
Fica evidente, a partir do estudo citado, que a análise da precipitação média diária não é
suficiente para explicar os escorregamentos. O mecanismo envolvido é mais complexo e tem
início com a progressiva saturação dos solos por precipitações menos intensas porém
persistentes, que conseguem se infiltrar.
2.6 COMPORTAMENTO DA ÁGUA NO SOLO
As relações entre as várias formas de ocorrência da interface solo-água se processam
dentro de um sistema fechado denominado ciclo hidrológico (Figura 2.25) [93].
FIGURA 2.25 - Ciclo hidrológico.
Fonte: [94].
O ciclo da água na natureza inicia-se com a evaporação que ocorre nos mares, rios e
lagos. O vapor d’água, alcançando a atmosfera, é distribuído pelos ventos e se precipita quando
atinge temperaturas mais baixas. Quando chove sobre a superfície da Terra, uma parte da água se
evapora e retorna à atmosfera; outra, desloca-se por sobre a superfície, constituindo as águas de
escoamento superficial. Parte da água das chuvas infiltra-se no solo, formando as águas
subterrâneas. Além disso, uma pequena parcela é absorvida pelos animais e plantas, sendo
utilizada no seu metabolismo [95].
45
Neste trabalho, portanto, destacou-se somente a infiltração como parte do ciclo
hidrológico.
2.6.1 INFILTRAÇÃO DE ÁGUA EM SOLOS
A infiltração é a passagem de água da superfície para o interior do terreno. É um processo
que depende da disponibilidade de água, da natureza do terreno, do estado de sua superfície, da
sua cobertura vegetal e do seu teor de umidade.
O volume e a velocidade de infiltração dependem de alguns fatores, entre eles, destacam-
se [95]:
a. Tipo e condição dos materiais terrestres. A infiltração é favorecida pela presença de
materiais porosos e permeáveis, como solos e sedimentos arenosos. Por outro lado,
materiais argilosos são desfavoráveis à infiltração. A quantidade de água transmitida pelo
solo depende de uma característica importante, chamada de capacidade de campo, que
corresponde ao volume de água absorvido pelo solo, antes de atingir a saturação, e que
não sofre movimento para níveis inferiores.
b. Cobertura vegetal. Em áreas vegetadas a infiltração é favorecida pelas raízes que abrem
caminho para a água descendente no solo. A cobertura florestal também exerce
importante função no retardamento de parte da água que atinge o solo, através da
interceptação, sendo o excesso lentamente liberado para a superfície do solo por
gotejamento.
c. Topografia. De modo geral, declives acentuados favorecem o escoamento superficial
direto, diminuindo a infiltração. Superfícies suavemente onduladas permitem o
escoamento superficial menos veloz, aumentando a possibilidade de infiltração.
d. Precipitação. Chuvas regularmente distribuídas ao longo do tempo promovem uma
infiltração maior, pois, desta maneira, a velocidade de infiltração acompanha o volume de
precipitação. Ao contrário, chuvas torrenciais favorecem o escoamento superficial direto,
pois a taxa de infiltração é inferior ao grande volume de água precipitada em curto
intervalo de tempo.
e. Ocupação do solo. O avanço da urbanização e a devastação da vegetação influenciam
significativamente a quantidade de água infiltrada em adensamentos populacionais e
zonas de intenso uso agropecuário. Nas áreas urbanas, as construções e a pavimentação
impedem a infiltração, causando efeitos catastróficos devido ao aumento do escoamento
46
superficial. Nas áreas rurais, a infiltração sofre redução pelo desmatamento em geral, pela
exposição de vertentes através de plantações sem terraceamento, e pela compactação dos
solos causada pelo pisoteamento de animais.
2.6.1.1 ZONAS DE UMIDADE DO SOLO
O solo, onde se inicia a penetração da água através da infiltração, pode ser
compartimentado em duas zonas, de acordo com o seu teor de umidade (Figura 2.26).
O primeiro compartimento, imediatamente abaixo da superfície do terreno, corresponde à
zona não saturada, também chamada de vadosa ou zona de aeração, assim denominada pelo fato
de que uma parte dos espaços intergranulares está preenchida com água e a outra parte, com ar.
Nesta zona podemos distinguir três regiões: zona do solo ou zona de umidade do solo, zona
intermediária e franja capilar. A zona do solo é a parte superior da zona não saturada, onde a
perda da água de adesão para a atmosfera é intensa. A zona intermediária vem logo em seguida,
ligando a região superficial do solo à franja capilar, a qual é uma região de transição entre as
zonas não saturada e saturada, como mostrado na Figura 2.26. O segundo compartimento ocorre
abaixo do limite inferior da zona não saturada (franja capilar), onde todos os espaços
intergranulares estão ocupados por água, o que permite denominá-la zona saturada. A água que
penetra no solo irá constituir, abaixo do limite superior da zona saturada a água subterrânea. O
limite de separação entre estas duas zonas de umidade é conhecido como nível d’água
subterrânea ou nível freático (Figura 2.26) [96].
FIGURA 2.26 - Esquema das zonas do solo quanto à água subsupeficial.
Fonte: adaptada de [95].
47
A Tabela 2.7 identifica as duas zonas e seus fatores de influência.
TABELA 2.7 - Explicativo da Figura 2.26.
ZONAS ÁGUA FASE PRESSÃO PROCESSO
Higroscópica
(saturação capilar descontínua)
Gasosa P = atmosférica
Peculiar
(saturação capilar semicontínua)
Líquida
P < atmosférica
NÃO SATURADA
(Aeração
ou
Vadosa)
Capilar
(saturação capilar contínua)
Líquida
P < atmosférica
Infiltração
(fluxo descendente)
SATURADA
Água subterrânea
(confinada ou não confinada)
Líquida
P < atmosférica
P > atmosférica
Percolação
(fluxo lateral)
Fonte: [96].
A zona não s’aturada corresponde à faixa de trânsito da parcela da água do ciclo
hidrológico que penetra no solo através da infiltração e se direciona para porções mais inferiores
do maciço. A espessura desta zona varia desde menos de 1 m, em áreas alagadiças, até mais de
100 m em regiões desérticas [95].
A infiltração é condicionada por vários fatores, tais como tamanho e tipo dos vazios
intergranulares, grau de intercomunicação entre os mesmos, presença ou não de obstáculos em
superfície, condições de umidade e estado de tensões capilares na zona não saturada. O
movimento da água nesta zona se dá essencialmente devido à força da gravidade, porém está
sujeita a diversa outras forças, quais sejam, forças moleculares e tensões superficiais que
resultam em águas higroscópicas, peliculares e capilares, como mostradas:
Água higroscópica é aquela que envolve o grão do solo, particularmente dos solos argilosos,
formando uma camada muito fina, da ordem de grandeza de algumas moléculas, devido à
atração molecular. Esta água está fortemente presa ao grão do solo e sujeita a pressões
elevadíssimas de tal modo que não se movimenta, exceto se submetida a temperaturas
superiores a 100
o
C. Forças gravitacionais ou de capilaridade não conseguem movê-la.
Água pelicular é aquela que forma uma película de espessura variável, da ordem de 0,5.10
-3
cm, envolvendo o grão de solo, estando submetida a atrações moleculares e a tensões
superficiais. Forças gravitacionais não a movimentam, porém ela pode migrar de um grão
48
(onde a película é mais espessa) para outro (onde é menos espessa). A espessura destes
filmes de água é que determina algumas das propriedades físicas dos solos, tais como a
coesão e a capilaridade.
A Água capilar se encontra, por meio das tensões superficiais, retida em espaços
intergranulares diminutos, conhecidos como capilares, formando películas contínuas em
torno das partículas do solo. Na zona não saturada podem ocorrer movimentos da água
capilar, no sentido contrário ao da ação da gravidade, no fenômeno conhecido como ascensão
capilar ou sucção. Este fluxo, que ascende a partir da zona de saturação, é devido às tensões
superficiais atuantes na água, na interface ar-água, no interior dos capilares. A altura de
ascensão da água depende do raio do capilar, da tensão superficial, do ângulo de contato do
menisco no capilar e da presença de impurezas na água. Em solos arenosos, por exemplo, a
ascensão capilar raramente ultrapassa 30 cm de altura, porém em solos argilosos pode atingir
até cerca de 80 cm.
Na zona de saturação e na parte inferior da zona capilar (zona não saturada), o
movimento da água, conhecido por percolação, é governado por pressões hidrostáticas (também
gravitacionais) e, portanto, pode ocorrer em qualquer direção, sendo a componente lateral a mais
importante. Apesar de ambas as zonas citadas serem saturadas, é importante diferenciá-las em
termos de comportamento geotécnico: as pressões intersticiais, negativa na zona capilar e
positiva na zona saturada, levam a diferentes efeitos nos solos e nas rochas.
Apesar de existirem águas de diferentes origens, tais como águas conatas, congênitas ou
fósseis (aquelas preservadas nos interstícios da rocha desde sua formação) e águas juvenis
(originadas nas profundezas da crosta terrestre e que ascendem à superfície por processos
magmáticos), é a água originada pela infiltração da chuva no solo que corresponde à maior
parcela da água subterrânea [96].
2.7 PRINCIPAIS MÉTODOS PARA A DETERMINAÇÃO DO TEOR DE ÁGUA NO
SOLO
No desenvolvimento de elementos sensores para monitorar a umidade do solo, deve-se,
além da seleção adequada de materiais que mostram sensitividade em uma ampla faixa de
umidade e de temperatura e estabilidade nos ciclos térmicos e de tempo e quanto à exposição em
ambientes agressivos e a produtos químicos, como já dito no estudo de sensores da umidade
relativa do ar, apresentar algumas características desejáveis de um método (ou instrumento) para
49
tal aplicação, como por exemplo, (a) rapidez na obtenção de resultados, (b) automatização, (c)
evitar amostragem destrutiva do solo, (d) repetição no espaço e no tempo (e) fácil calibração, (f)
custo acessível e (g) segurança do operador [97].
Os principais métodos ou técnicas utilizadas para se determinar o teor de água no solo são
comumente divididos em diretos e indiretos. Os métodos diretos são mais simples e permitem a
obtenção direta da umidade do solo, enquanto que os métodos indiretos medem propriedades
físicas e/ou químicas do solo dependentes da sua umidade. O principal método direto é o
gravimétrico, considerado método de referência e entre os métodos indiretos mais utilizados,
têm-se os tensiométricos, nucleares, dielétricos ou eletromagnéticos e condutividade térmica [98-
100]. Grande parte destes métodos requer calibração [101].
2.7.1 MÉTODO GRAVIMÉTRICO
Na técnica de forno-secante, utilizada no método gravimétrico, amostras de solos úmidos
são removidas do campo e sua massa de água é determinada em relação à massa seca. A
secagem das amostras úmidas é realizada em estufa, por 24 horas, entre 105 e 110
o
C, e a
porcentagem de umidade é determinada conforme a Equação 2.5 [102;103].
Onde,
M
1
= Massa do recipiente + Amostra retirada do campo (g);
M
2
= Massa do recipiente + Amostra seca (g);
M
3
= Massa do recipiente (g).
A técnica de forno-secante apresenta a desvantagem de necessitar de 24 horas ou mais
para obter o resultado, além de ser um método não automatizável e destrutivo, pois impossibilita
repetições num mesmo ponto de coleta. Contudo, é um método simples, barato e de excelente
precisão, considerado o método-padrão para a calibração dos métodos indiretos [100].
100
1 2
2 3
M -M
% de Umidade
M -M
=
(2.5)
50
2.7.2 MÉTODO TENSIOMÉTRICO
O método tensiométrico fornece de forma direta o potencial ou a tensão (sucção) de água
no solo, em unidade de energia dividida por volume (pressão) e de forma indireta a umidade.
Este método indica o estado de energia com que a água está retida nos poros do solo, através de
um instrumento desenvolvido por Gardner e colaboradores, em 1922, chamado tensiômetro
(Figura 2.27). Um tensiômetro consiste de uma cápsula porosa conectada a um manômetro,
através de um tubo, geralmente de vidro ou PVC, preenchido com água. A leitura do tensiômetro
fornece somente se a água contida no solo está retida com alta ou baixa energia, isto é, em solos
secos, a energia de retenção (tensão de sucção) é alta e em solos úmidos, ocorre o inverso.
O tensiômetro deve ser instalado de forma a proporcionar um bom contato entre a cápsula
porosa e o solo. Quando o potencial matricial da água no solo é menor (mais negativo) que o da
água nos poros da cápsula, a água se desloca do tensiômetro para o solo, através dos poros
saturados, criando uma sucção medida pelo manômetro. Quando o solo é umedecido, o fluxo
ocorre na direção reversa, até que um novo equilíbrio seja alcançado [104]. O tensiômetro não
requer calibração, pois é um instrumento eudimétrico. Entretanto, quando se refere à calibração
de tensiômetro, porém, em geral, o que se está calibrando, na verdade, é o manômetro deste
instrumento.
a) b)
FIGURA 2.27 - a) Esquema de um tensiômetro no campo e b) Tensiômetro comercial.
Fonte: adaptada de [105].
51
O tensiômetro tem sido largamente utilizado como ferramenta no manejo da irrigação,
tendo em vista sua praticidade, baixo custo e precisão satisfatória na determinação da tensão de
água do solo para esta aplicação, porém apresenta limitação de uso para solos muito argilosos,
sem microagregação, pois monitora apenas parte da capacidade da água disponível. Outra
importante limitação é o acúmulo de ar na cavidade da cápsula porosa, o que ocorre com
velocidade crescente. Por esta razão, o tensiômetro comum requer manutenção freqüente, não
sendo, portanto, um sensor adequado para a automatização de sistemas não assistidos [105].
2.7.3 MÉTODOS NUCLEARES
As técnicas utilizadas neste método são duas, a moderação de nêutrons e a atenuação
gama. De modo geral, são técnicas de campo e possuem a grande vantagem de não serem
destrutivas, além de medirem um grande volume de solo, em diferentes profundidades.
Entretanto, os equipamentos de medidas são caros, possuem partes eletrônicas delicadas, às
vezes de difícil manutenção, necessitam de um manuseio mais cuidadoso, devido à fonte
radioativa, cada unidade tem que ser convenientemente calibrada para cada camada de solo e
apresentam insensibilidade nas proximidades da superfície do solo e em pequenas variações do
conteúdo de água [106].
a) Moderação de nêutrons
Há mais de três décadas utilizado para estimar o conteúdo de umidade volumétrica do
solo, o princípio de funcionamento do método da moderação de nêutrons é, resumidamente, o
seguinte: nêutrons rápidos (10 keV a 20 MeV) emitidos de uma fonte (normalmente amerício-
berílio) são termalizados, isto é, desacelerados ou tornados nêutrons lentos (0,01 a 0,3 eV) pelos
átomos de hidrogênio no solo, detectados (contador proporcional de BF
3
, contador proporcional
de
3
He, cristal de cintilação) no interior do solo e registrados num scaler à sua superfície (Figura
2.28). Portanto, quanto mais átomos de hidrogênio (maior conteúdo de água no solo), maior a
contagem de nêutrons no registrador. Deste modo, com este equipamento, após a elaboração de
uma curva de calibração da contagem versus o conteúdo de água no solo, mede-se
instantaneamente esse conteúdo em qualquer profundidade no campo, de maneira não destrutiva
[99;100;106].
52
a) b)
FIGURA 2.28 - a) Sonda de nêutrons dentro do tubo e realizando a contagem (sonda de nêutrons
comercial) e b) Esquema da sonda de nêutrons de profundidade.
Fonte: adaptada de [107].
b) Método da atenuação da radiação gama
O método da atenuação da radiação gama, ou simplesmente atenuação gama, para medida
do conteúdo de água no solo baseia-se na conhecida interação da radiação gama com a matéria.
Assim, se um feixe colimado de raios gama é colocado a atravessar um determinado material,
alguns raios passam sem sofrer qualquer interação, enquanto que outros interagem e são
espalhados, isto é, desviados de sua rota original. Como esta interação se dá com os elétrons
orbitais dos átomos (efeitos Compton e fotoelétrico), a quantidade que se espalha depende da
densidade de elétrons do material que, no caso do solo, é determinada pela sua densidade e o
conteúdo de água; assim, quanto maior a densidade do solo e quanto maior o conteúdo de água
no solo, maior o espalhamento da radiação gama. O método consiste em medir os raios gama não
espalhados numa configuração fonte gama-amostra-detector adequada, em condições de
laboratório e também de campo. A grande vantagem deste método é também a não destruição da
amostra e a possibilidade de medir o conteúdo de água no solo, bem como a densidade do solo
ao longo de um dado comprimento, a distâncias tão pequenas como 0,01 m [108].
2.7.4 MÉTODO BASEADO NA CONSTANTE DIELÉTRICA
A medição da constante dielétrica dos materiais encontra inúmeras aplicações desde seu
surgimento no início do século XX, primeiramente nas pesquisas físicas e químicas, e
posteriormente em disciplinas aplicadas da engenharia, especialmente em algumas áreas da
eletrônica, como em testador de cabos telefônicos, por exemplo. Investigações a cerca da
53
interação da transmissão de ondas de rádio e o meio ambiente mostraram as primeiras relações
entre os vários materiais e a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas. Nos solos,
estudou-se o comportamento destas transmissões e a sua relação com a umidade, temperatura e
conteúdo de sal. Destes estudos surgiram as primeiras iniciativas de utilizar a medição da
constante dielétrica para a determinação da umidade em meios porosos [109]. E, somente a partir
da década de 60, as pesquisas para mensurar a umidade do solo utilizando métodos dielétricos se
popularizaram. Desde então, constituem-se exemplos deste método as técnicas de Reflectometria
no Domínio do Tempo, (TDR) - Time Domain Reflectometry – e capacitivas [110]. A Tabela 2.8
exibe o valor da permissividade relativa de alguns materiais, onde se pode observar que a
permissividade da água é muito superior à dos outros materiais constituintes do solo, fazendo
com que a permissividade relativa aparente do solo seja definida basicamente pelo seu teor de
água.
Os métodos baseados na constante dielétrica do solo úmido para aferição da umidade,
usualmente, são não deformáveis, excetuando-se pelos momentos de instalação dos sensores e
durante sua calibração.
TABELA 2.8 - Permissividade relativa de alguns constituintes do solo.
MATERIAL PERMISSIVIDADE RELATIVA
Ar 1
Água (20
o
C)
80
Gelo (-3
o
C) 3
Basalto 12
Granito 7 a 9
Silte seco 3,5
Areia seca 2,5
Fonte: [111].
a) Reflectometria no domínio do tempo – TDR (Time Domain Reflectometry)
O procedimento de medida da constante dielétrica usando reflectometria no domínio do
tempo, amplamente difundida nos últimos anos, foi introduzido por Fellner-Feldegg, em 1969
[112] e aprimorado para a utilização na determinação da quantidade de água no solo por Davis e
Chudobiak, em 1975 [113]. Esta técnica deduz a permissividade efetiva do solo na medição da
velocidade de propagação de um pulso eletromagnético, através de um cabo coaxial, até o sensor
54
(geralmente um conjunto de hastes de aço inoxidável ou de latão), imerso no solo (Figura 2.29).
Segundo alguns pesquisadores, a medição não é influenciada pela temperatura e pelo tipo de solo
[114]; entretanto os estudos são escassos e pouco se sabe acerca dos fatores que influenciam
realmente na medição.
a) b)
FIGURA 2.29 - a) Reflectômetro no domínio do tempo e b) Conjunto de hastes de aço
inoxidável ou latão.
Fonte: adaptada de [98].
b) Sondas capacitivas
As sondas capacitivas constituem-se num método de medição da constante dielétrica, que
considera o solo como um meio dielétrico para o capacitor, com uma resposta mais confiável e
de menor custo. Como a umidade do solo está predominantemente sob a forma de água livre e há
uma diferença muito grande entre as constantes dielétricas do ar e da água, a variação das
mesmas é diretamente proporcional à variação da umidade, quando os eletrodos são submetidos
a um sinal de excitação de freqüência conhecida (Figura 2.30) [100]. O sinal obtido não é linear
com o teor de água e é influenciado tanto pelo tipo, como pela temperatura do solo. Portanto,
esse método requer calibração cuidadosa na instalação e também durante todo o tempo de uso,
pois sua estabilidade a longo prazo é questionável.
55
FIGURA 2.30 - Sonda capacitiva comercial em atividade no campo.
Fonte: adaptada de [115].
Na maioria dos solos monitorados, as únicas moléculas polarizáveis presentes em
quantidades significativas são as moléculas de água; mesmo em solos orgânicos, a contribuição
da massa orgânica é relativamente pequena devido à limitada polarizabilidade, cuja
permissividade varia de 6 a 8 [116]. As principais características desta técnica são: tempo de
resposta baixo, ausência de efeitos radioativos e apresentam pequena dispersão nos valores
medidos, resultando em um menor erro aleatório de contagem associado.
2.7.5 MÉTODO RESISTIVO
Neste método, pequenos blocos resistivos de absorção, geralmente comercializados em
diversos materiais porosos que vão desde tecidos de náilon e fibras de vidro até gesso resinado e
moldado em diferentes formas, conforme mostrados na Figura 2.31, são enterrados no solo. Os
blocos resistivos absorvem uma pequena parcela da água contida no solo, até atingir o equilíbrio
osmótico, variando a resistência elétrica do conjunto sensor, causada principalmente pela
solubilização em água dos eletrólitos componentes da solução do solo (Ca
2+
e SO
4
2-
), cuja função
é não linear da tensão da água no solo. Desta forma, quanto maior o teor de água contido no solo,
menor será a resistência e vice-versa. Apresenta as vantagens de ser um equipamento barato, de
simples fabricação e manuseio e possui uma ampla faixa de resposta. No entanto, a deterioração
da resposta no tempo, a necessidade de calibração individualizada e periódica e a grande
56
sensibilidade destes blocos aos sais de alta solubilidade, que aumentam a condutividade elétrica,
são suas principais desvantagens [98].
FIGURA 2.31 - Blocos resistivos de absorção para a determinação do teor de água no solo.
Fonte: adaptada de [98].
2.7.6 MÉTODO BASEADO NA CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Um método confiável de se estimar a tensão da água no solo é através do
acompanhamento da condutividade térmica de cápsulas porosas de acordo com sua impregnação
com água. Neste caso, a variação da massa de água na cápsula porosa é acompanhada através
dos seus efeitos diretos sobre a condutividade térmica. O sensor de tensão de água por
condutividade térmica é constituído de uma fonte de calor, com dissipação térmica ajustada e
estável, usualmente uma resistência elétrica centralizada, e de um sensor para acompanhar a
diferença de temperatura entre dois pontos, ao longo do raio de cápsulas porosas cilíndricas
(Figura 2.32). Neste sistema, cada cápsula porosa precisa ser calibrada, individualmente, e a
relação entre a tensão de água e a diferença de temperatura medida não é linear e aumenta
conforme o solo seca. Apesar de requerer calibração individualizada, trata-se de um sistema
57
estável que se presta para automação de sistemas não-assistidos. No sensor de condutividade
térmica a faixa de tensões da água de trabalho depende da porosidade e da distribuição das
dimensões dos poros na cápsula porosa [117].
a)
b)
FIGURA 2.32 - a) Equipamento comercial utilizado para determinar o conteúdo de água no solo
em atividade no campo e b) Esquema de funcionamento do equipamento.
Fonte: adaptada de [117].
2.8 PROCESSOS DE DINÂMICA SUPERFICIAL
Neste item, segue uma breve introdução aos processos que modificam a superfície da
Terra, com ênfase nos movimentos de massa e a importância da pesquisa voltada à
instrumentação para o monitoramento ambiental.
Inicialmente, “processo”, em geomorfologia, define as ações dinâmicas ou eventos que
envolvem a aplicação de forças sob certos gradientes. Essas ações são provocadas por agentes
como chuva, vento, ondas, marés, rios, gelo, entre outros [118]. Quando as forças excedem as
resistências dos sistemas naturais, ocorrem modificações por deformações do terreno, mudança
de posição ou mudanças na estrutura química. As modificações podem ou não ser perceptíveis à
nossa capacidade de observação, dependendo da velocidade do processo ou da relação de forças.
Os processos geomorfológicos geralmente são complexos, refletindo não somente a inter-relação
entre as variáveis causais (clima, geologia, morfologia, etc.), mas também a sua evolução no
tempo. Portanto, ao se tratar de processos, deve-se sempre ter em mente a noção do espaço em
que o processo ocorre e a sua velocidade. Dessa forma, a importância do monitoramento desses
58
processos recai no entendimento e aprimoramento de métodos e estratégias, assim como em sua
instrumentação.
2.8.1 ABORDAGENS DE ESTUDO: MÉTODOS E ESTRATÉGIAS PARA O
MONITORAMENTO AMBIENTAL
Atualmente, diversas abordagens têm sido adotadas para explicar o passado, compreender
o presente e prever o futuro. A filosofia desses métodos está relacionada ao confronto de
hipóteses e é baseada nos trabalhos de campo, laboratório e escritório, com predominância dos
primeiros. Para isso, a maioria das estratégias importantes, nos trabalhos aplicados, requer algum
tipo de transferência. A escolha da estratégia depende de cada problema, podendo ser, por
exemplo, sem ou com monitoramento [19].
a) Sem monitoramento
Uma estratégia muito utilizada para o monitoramento de áreas de risco, por exemplo, é a
transferência de experimentos de laboratório ou simulações matemáticas para condições
específicas de campo. Já na hipótese ergódica, as transformações tempo-espaço também podem
ser utilizadas quando se desejam estimar mudanças puntuadas ao longo do tempo, baseadas em
processos atuais. Também é possível prever as condições em um local não-monitorado a partir
de condições conhecidas em outros locais monitorados. Finalmente, fontes de dados históricos
podem ser utilizadas para avaliar modificações geomorfológicas no passado recente.
b) Com monitoramento
Provavelmente é o processo mais seguro, efetuado através do monitoramento dos
processos (contemporâneos) durante períodos suficientemente longos de tempo, para obter
tendências significativas. Entretanto, as duas estratégias podem, em alguns casos, ser
combinadas, uma confirmando a outra, ou não [119].
2.8.2 PRINCIPAIS PROCESSOS DE DINÂMICA SUPERFICIAL
Os processos que moldam a paisagem estão relacionados às forças atuantes na superfície
da Terra. Dentre estas se destacam a gravidade, as marés, a radiação solar e o calor interno.
59
A gravidade ou o campo gravitacional terrestre, como parte deste trabalho, é responsável
pela tendência da água e do solo ou rocha se deslocarem dos pontos mais altos para os mais
baixos.
A grande quantidade de energia recebida pela Terra na forma de radiação solar,
convertida em trabalho mecânico pela água, desempenha um papel muito importante na
modelagem da paisagem. Pode-se visualizar este processo como uma enorme “máquina
geomorfológica” a vapor que, se não fossem os processos de dinâmica interna, capazes de criar
novas montanhas, toda a sua superfície já teria sido arrasada e nivelada. Para ilustrar melhor os
processos de dinâmica superficial, levaremos em conta os movimentos de massa [119].
2.8.2.1 MOVIMENTOS DE MASSA
As paisagens compreendem vertentes ou encostas com declividades e formas muito
variadas. As mudanças de forma dessas encostas estão relacionadas aos processos dominantes de
intemperismo, erosão e deslizamentos (ou escorregamentos). As encostas mudam
constantemente, tendendo porém para um estado central, em equilíbrio com os processos
atuantes, para manter a configuração mais eficiente possível [120].
As instabilizações, aqui consideradas, são aquelas definidas genericamente como
escorregamentos, ou movimentos de massa, rocha, solo e detritos, encosta abaixo [121]. A
Tabela 2.9 apresenta as principais características dos movimentos de massa.
60
TABELA 2.9 - Características dos principais movimentos de encosta na dinâmica ambiental
brasileira.
PROCESSOS
CARACTERÍSTICAS DO MOVIMENTO, MATERIAL E
GEOMETRIA
Rastejo (creep)
- Vários planos de deslocamento (internos)
- Velocidades muito baixas (cm/ano) a baixas e decrescentes com a
profundidade
- Movimentos constantes, sazonais ou intermitentes
- Solo, depósitos, rocha alterada/fraturada
- Geometria indefinida
Escorregamentos
(slides)
- Poucos planos de deslocamento (externos)
- Velocidades médias (m/h) a altas (m/s)
- Pequenos a grandes volumes de material
- Geometria e materiais variáveis
- Planares: solos pouco espessos, solos e rochas com um plano de
fraqueza
- Circulares: solos espessos homogêneos e rochas muito fraturadas
- Em cunha: solos e rochas com dois planos de fraqueza
Quedas (falls)
- Sem planos de deslocamento
- Movimentos tipo queda livre ou em plano inclinado
- Velocidades muito altas (vários m/s)
- Material rochoso
- Pequenos a médios volumes
- Geometria variável: lascas, placas, blocos, etc
- Rolamento de matacão
- Tombamento
Corridas
- Muitas superfícies de deslocamento (internas e externas à massa em
movimentação
- Movimento semelhante ao de um líquido viscoso
- Desenvolvimento ao longo das drenagens
- Velocidades médias a altas
- Mobilização de solo, rocha, detritos e água
- Grandes volumes de material
- Extenso raio de alcance, mesmo em áreas planas
Fonte: [122].
a) Rastejos
Os rastejos consistem no movimento descendente, lento e contínuo (deformação de
caráter plástico) da massa de solo de um talude. Esses processos são identificados através de
indícios indiretos, como o “embarrigamento” de árvores, deslocamentos de muros e outras
estruturas, pequenos abatimentos ou degraus na encosta (Figura 2.33). Além disso, os rastejos
podem evoluir para escorregamentos, servindo como um indicador para movimentos mais
rápidos.
61
FIGURA 2.33 - Rastejo e seus indícios.
Fonte: adaptada de [120].
b) Escorregamentos
Os escorregamentos consistem no movimento rápido de massas de solo ou rocha,
geralmente bem definidas quanto ao seu volume, cujo centro de gravidade se desloca para baixo
e para fora de um talude (natural, de corte ou aterro). O mecanismo de deformação envolvido
nestes processos apresenta um regime diferente do rastejo, ocorrendo por aumento das tensões
atuantes ou queda da resistência, em períodos relativamente curtos, ou combinações destes
mecanismos, que levam os terrenos, que constituem os taludes e encostas naturais, a rupturas por
cisalhamento. Diferentes tipos de escorregamentos são identificados em função de sua geometria
e da natureza do material que instabilizam.
•
Escorregamentos planares ou translacionais são processos muito freqüentes nas
encostas serranas brasileiras, envolvendo solos superficiais, freqüentemente até o
contato com a rocha subjacente, alterada ou não (Figura 2.34).
62
FIGURA 2.34 - Escorregamento planar (translacional).
Fonte: adaptada de [119].
•
Escorregamentos circulares ou rotacionais possuem superfícies de deslizamentos
curvas, sendo comum a ocorrência de uma série de rupturas combinadas e sucessivas
(Figura 2.35).
FIGURA 2.35 - Escorregamento circular (rotacional).
Fonte: adaptada de [119].
•
Escorregamentos em cunha são processos comuns em taludes de corte ou em
encostas que sofreram algum tipo de desconfinamento, natural ou antrópico (Figura
2.36).
63
FIGURA 2.36 - Escorregamento em cunha.
Fonte: adaptada de [119].
Os escorregamentos na Serra do Mar, associados às chuvas tropicais, já haviam sido
observados por Martim Francisco Ribeiro de Andrade, em 1805, próximo a Cananéia (SP). No
seu “Diário de uma Viagem Mineralógica” encontra-se “...e não há imenso tempo, com as
grandes chuvas desabaram porções das serras, que vieram entulhar o rio das Minas e o ribeiro
de Mandira, arrastando consigo enormes madeiras com graves prejuízos dos moradores...,
julgando nisto um castigo visível da mão divina” [119].
A Figura 2.37 apresenta cicatrizes de escorregamentos na Serra do Mar, que deram
origem à corrida de massa de 1967, em Caraguatatuba (SP).
a) b) c)
FIGURA 2.37 - Escorregamentos na Serra do Mar. a) Em 1967, deslizamentos destroem estrada
que leva a Caraguatatuba (SP), b) Com a tromba-d'água, Serra do Mar se
desmanchou sobre a cidade litorânea e c) No ano seguinte, em 1968, as marcas
de deslizamento ainda eram fortes.
Fonte: [123].
64
c) Movimentos de blocos rochosos
Os processos de movimentos de blocos rochosos consistem nos deslocamentos, por
gravidade, de blocos de rocha, podendo ser classificados em:
•
Queda de blocos envolve materiais rochosos de volume e litologia diversos, que se
destacam de taludes ou encostas íngremes e se deslocam em movimentos tipo queda
livre (Figura 2.38).
FIGURA 2.38 - Queda de blocos.
Fonte: adaptada de [119].
•
Tombamento de blocos é um tipo de movimento que se dá pela rotação dos blocos
rochosos, condicionado pela presença de estruturas geológicas no maciço rochoso,
com grande mergulho (Figura 2.39).
65
FIGURA 2.39 - Tombamento.
Fonte: adaptada de [119].
•
Rolamento de blocos corresponde a movimento de blocos rochosos ao longo de
superfícies inclinadas. Esses blocos, geralmente, encontram-se parcialmente imersos
em matriz terrosa, destacando-se dos taludes e encostas por perda de apoio (Figura
2.40).
FIGURA 2.40 - Rolamento de blocos.
Fonte: adaptada de [119].
66
•
Desplacamento consiste no desprendimento de lascas ou placas de rocha, devido às
variações térmicas ou por alívio de tensão. O desprendimento pode se dar em queda
livre ou por deslizamento ao longo de uma superfície inclinada.
d) Corridas
As corridas são caracterizadas por uma dinâmica híbrida regida pela mecânica dos
sólidos e dos fluídos, pelo grande volume de material que mobilizam e pelo extenso raio de
alcance que possuem (até alguns quilômetros), resultando num grande potencial destrutivo.
As corridas de massa recebem diferentes denominações, dependendo das características
do material mobilizado (textura, conteúdo d’água, entre outros) e das velocidades de
deslocamento do processo. Na literatura nacional e internacional, utilizam-se termos como:
corrida de lama (mud flow), consistindo de solo com alto teor de água; corrida de terra (earth
flow), cujo material predominante também é o solo, mas com teor menor de água e corrida de
detritos (debris flow), cujo material predominante é grosseiro, envolvendo fragmentos de rocha
de vários tamanhos.
Podem ser identificados dois mecanismos básicos da geração para as corridas de massa:
Origem primária: formação das corridas a partir da desestruturação total do material
mobilizado de escorregamentos nas encostas, como foi o caso de Caraguatatuba em 1967;
Origem secundária: formação das corridas nas drenagens principais a partir da
remobilização de detritos acumulados no leito e por barramentos naturais, acrescidos do
material de escorregamentos nas encostas e de grandes volumes de água gerados em
picos de cheias nas drenagens.
2.9 DESLIZAMENTOS DE ENCOSTAS
A pesquisa voltada à estabilidade de taludes ou encostas naturais acumula extenso
desenvolvimento técnico-científico, envolvendo diferentes áreas do conhecimento, tais como,
engenharia civil e de minas; geografia; geologia; geologia de engenharia; geomorfologia;
mecânica dos solos e das rochas [124] e, agora, engenharias ambiental e de materiais,
caracterizando de maneira apropriada a multidisciplinaridade relevante ao tratamento das
questões ambientais.
67
Os taludes ou as encostas naturais são definidos como superfícies inclinadas de maciços
terrosos, rochosos ou mistos (solo e rocha), originados de processos geológicos e
geomorfológicos diversos. Podem apresentar modificações antrópicas, tais como cortes,
desmatamentos, introdução de cargas, etc. O termo encosta é mais empregado em estudos de
caráter regional. Talude de corte é entendido como um talude originado de escavações antrópicas
diversas. Talude artificial refere-se ao declive de aterros construídos a partir de materiais de
diferentes granulometrias e origens, incluindo rejeitos industriais, urbanos ou de mineração.
Historicamente, os primeiros estudos sobre escorregamentos remontam a mais de 2.000
anos, em países como China e Japão. No Brasil, existem relatos tratando de escorregamentos nas
encostas de Salvador (BA), datados do império (1671). Os movimentos em taludes e encostas
têm causado, principalmente nas últimas duas décadas, acidentes em várias cidades brasileiras,
muitas vezes com mais de uma dezena de vítimas fatais (Tabela 2.10).
68
TABELA 2.10 - Alguns acidentes importantes decorrentes de escorregamentos no Brasil.
LOCAL DATA PERDAS SOCIOECONÔMICAS
Santos, SP (Mont
Serrat)
1928 60 mortes, destruição da Santa Casa de Santos
Vale do Paraíba
(RJ/MG)
Dez/1948 250 mortes, destruição de centenas de casas
Santos, SP (Mont
Serrat)
1956 43 mortes, destruição de 100 casas
Rio de Janeiro, RJ Jan/1966 100 mortes
Serra das Araras,
RJ
Jan/1967
1200 mortes, destruição de dezenas de casas, rodovias
avariadas, destruição de uma usina hidrelétrica
Caraguatatuba, SP Mar/1967 120 mortes, destruição de 400 casas
Salvador, BA Abr/1971 104 mortes, milhares de desabrigados
Campos do Jordão,
SP
Ago/1972 Mais de 10 mortes, destruição de 60 moradias
Maranguape, CE Abr/1974 12 mortes, destruição de dezenas de casas
Lavrinhas, SP Dez/1988 11 mortes, destruição de casas e pontes
Cubatão, SP Jan/1988 10 mortes
Petrópolis, RJ Fev/1988 171 mortes, 1100 moradias interditadas, 5000 desabrigados
Rio de Janeiro, RJ Fev/1988 Mais de 30 mortes, destruição de dezenas de moradias
Salvador, BA Jun/1989 Cerca de 100 mortes, destruição de dezenas de moradias
São Paulo, SP Out/1989 14 mortes
Recife, PE Jul/1990 Cerca de 10 mortes
Blumenau, SC Out/1990
Cerca de 10 mortes, destruição de várias moradias, pontes e
vias
São Paulo, SP Out/1990 Cerca de 10 mortes
Belo Horizonte,
MG
Jan/fev/1992
Mais de 10 mortes
Contagem, MG Mar/1992
36 mortes, destruição de dezenas de moradias, centenas de
desabrigados
Salvador, BA Mar/1992 11 mortes
Fonte: [125].
2.9.1 FATORES CONDICIONANTES
De forma genérica, pode-se afirmar que a deflagração das instabilizações de taludes e
encostas é controlada por uma cadeia de eventos, muitas vezes de caráter cíclico. Apesar disso, é
quase sempre possível estabelecer um conjunto de condicionantes que atuam de forma mais
direta e imediata na deflagração destes processos. Resumidamente, os principais condicionantes
dos escorregamentos e processos correlatos na dinâmica ambiental brasileira são [94]:
Características climáticas, com destaque para o regime pluviométrico;
Características e distribuição dos materiais que compõem o substrato das encostas,
abrangendo solos, rochas, depósitos e estruturas geológicas (xistosidade, fraturas, etc.);
69
Características geomorfológicas, com destaque para inclinação, amplitude e forma do
perfil das encostas (retilíneo, convexo e côncavo);
Regime das águas de superfície e subsuperfície;
Características do uso e ocupação, incluindo cobertura vegetal e as diferentes formas de
intervenção antrópica das encostas, como cortes, aterros, concentração de água pluvial e
servida, etc.
Os fatores condicionantes mais relevantes são:
a) Substrato
Os climas tropical e subtropical impõem características próprias aos processos de
intemperismo. Como resultado típico, tem-se mantos de cobertura superficial de grandes
espessuras, com a formação de zonas de diferentes resistências, permeabilidades e outras
características que se relacionam diretamente com os mecanismos de escorregamentos e
processos correlatos [94,124].
Maciços terrosos. O ângulo de atrito e a coesão, parâmetros determinantes da resistência ao
cisalhamento, variam bastante, dependendo da gênese e das características dos solos. A coesão
possui uma parcela relacionada à capilaridade, denominada coesão aparente, que varia com o
grau de saturação do solo, comportamento que tem papel importante no mecanismo dos
escorregamentos em material terroso. Outros parâmetros e propriedades dos solos influenciam,
direta ou indiretamente, suas susceptibilidades aos movimentos de massa e ao tipo de mecanismo
da instabilização atuante. Entre eles destacam-se: peso específico, porosidade, índice de vazios;
mineralogia, granulometria; plasticidade, atividade, permeabilidade, compressibilidade e história
de tensões [124].
Maciços rochosos. As características e os comportamentos de interesse, na análise de
estabilidade de maciços rochosos também envolvem gênese, mineralogia, textura, ângulo de
atrito, coesão, permeabilidade e deformabilidade. De maneira geral, os taludes rochosos são mais
estáveis do que os terrosos, suportando geometrias mais acentuadas (ângulo e altura). Tal fato
decorre dos seus maiores valores médios de coesão e ângulo de atrito, em relação aos respectivos
produtos de alteração [94;124].
70
b) Águas de subsuperfície
A dinâmica das águas de subsuperfície é uma das principais responsáveis pela
deflagração dos movimentos de encosta, atuando tanto no aumento das solicitações, como na
redução da resistência dos terrenos. Os principais mecanismos de atuação das águas de
subsuperfície no desencadeamento de escorregamentos são apresentados a seguir [94,124]:
•
Diminuição da coesão aparente: maciços terrosos, com a permeabilidade crescente com a
profundidade, tendem a formar linhas de fluxo subverticais, que aumentam o grau de
saturação e diminuem os efeitos da coesão aparente, com o avanço em profundidade da
frente de umedecimento. Este processo pode levar os taludes à ruptura, mesmo sem a
formação ou elevação do N.A. (nível d’água). Este mecanismo é o principal deflagrador
de escorregamentos planares de solo na região da Serra do Mar, no litoral paulista;
•
Variação do nível piezométrico em massas homogêneas: a elevação do nível d’água
nestas condições, aumenta as pressões neutras, reduzindo as tensões normais efetivas e a
resistência ao cisalhamento, podendo levar os taludes à ruptura;
•
Elevação da coluna d’água em descontinuidades: o nível de água subterrâneo sofre
alteamentos mais intensos nos taludes rochosos pouco fraturados, quando comparados
com os de maciços terrosos, em virtude de suas porosidades relativas inferiores. Essas
elevações do N.A. nas descontinuidades diminuem tanto as tensões normais efetivas,
como podem gerar esforços laterais cisalhantes (descontinuidades ortogonais à superfície
de ruptura), contribuindo, em ambos os casos, para a deflagração de escorregamentos nas
encostas e nos taludes.
c) Chuva
As chuvas relacionam-se diretamente com a dinâmica das águas de superfície e
subsuperfície e, portanto, influenciam a deflagração dos processos de instabilização de taludes e
encostas.
Os índices pluviométricos críticos para a deflagração dos escorregamentos variam com
regime de infiltração no terreno, a dinâmica das águas subterrâneas no maciço e o tipo de
instabilização. Os escorregamentos em rocha tendem a ser mais suscetíveis a chuvas
concentradas, enquanto os processos em solo dependem também dos índices pluviométricos
acumulados nos dias anteriores. Processos do tipo corrida estão associados a índices
pluviométricos muito intensos, enquanto que as rupturas em áreas modificadas pelo homem com
71
desmatamentos, cortes, aterros, etc. (escorregamentos induzidos), podem ocorrer com valores de
precipitação considerados normais.
As chuvas atuam como o principal agente não-antrópico na deflagração de
escorregamentos no Brasil. Os grandes acidentes relacionados a esses processos ocorreram
durante o período chuvoso, que varia de região para região.
A associação entre a deflagração dos escorregamentos e os índices pluviométricos tem
levado alguns pesquisadores a tentarem estabelecer relações empíricas, probabilísticas ou físico-
matemáticas entre a pluviosidade e os movimentos de massa. Por exemplo, estabeleceram uma
correlação entre chuva e escorregamentos pioneira em nível nacional [125] e uma correlação
entre escorregamentos e índices pluviométricos na Serra do Mar, na área do município de
Cubatão (SP) [93,127]. A aplicação principal destas correlações é tentar se antecipar à
deflagração dos escorregamentos, a partir do acompanhamento dos índices pluviométricos de
uma região. É mais fácil e barato monitorar o parâmetro chuva, do que o nível d’água e o grau de
saturação dos taludes e encostas, principalmente em grandes áreas. Apesar das limitações e
imprecisões, essas correlações podem fornecer um importante instrumento de baixo custo de
implantação, para o monitoramento e gerenciamento de riscos associados a escorregamentos em
áreas urbanas (ver precipitação e dinâmica superficial em: 2.5 A influência do clima na dinâmica
superficial terrestre).
d) Cobertura vegetal
O papel da cobertura vegetal no balanço hídrico implica numa dinâmica da água, nos
taludes e encostas naturais, condicionante de instabilizações. Atribuem-se os seguintes efeitos
favoráveis e desfavoráveis da cobertura vegetal em relação à estabilidade das encostas [128]:
Efeitos favoráveis:
- redistribuição da água proveniente das chuvas: as copas das árvores impedem, em parte, o
impacto direto da chuva na superfície do terreno e retardam e diminuem a quantidade efetiva
de água que se infiltra no solo; além disso, a evapotranspiração também retira água do solo;
- acréscimo da resistência do solo devido às raízes: as raízes da vegetação de porte arbóreo
podem aumentar a resistência do solo pelo reforço mecânico e pelo escoramento (raízes
pivotantes e profundas).
72
Efeitos desfavoráveis:
- efeito alavanca: força cisalhante transferida pelos troncos das árvores ao terreno, quando suas
copas são atingidas por ventos;
- efeito cunha: pressão lateral causada pelas raízes ao penetrar em fendas, fissuras e canais do
solo ou rocha;
- sobrecarga vertical: causada pelo peso das árvores. Pode ter um efeito benéfico, ou não, na
estabilidade, em vista da inclinação das encostas e das características do solo.
Os processos de instabilização de taludes e encostas tendem a se acelerar algum tempo
após ao desmatamento. Logo em seguida à retirada das árvores, existe um acréscimo na
estabilidade das encostas, devido à eliminação dos efeitos negativos como sobrecarga, efeito
alavanca, etc. Contudo, este acréscimo de estabilidade tende a se perder com o tempo, com o
apodrecimento das raízes e a eliminação do efeito de redistribuição de água de chuva [129].
e) Ação antrópica
O homem constitui o mais importante agente modificador da dinâmica das encostas. O
avanço das diversas formas de uso e ocupação, para áreas naturalmente susceptíveis aos
movimentos gravitacionais de massa, acelera e amplia os processos de instabilização.
As principais interferências antrópicas indutoras de escorregamentos são:
Remoção da cobertura vegetal;
Lançamento e concentração de águas servidas;
Vazamentos na rede de abastecimento, esgoto e presença de fossas;
Execução de cortes com geometria inadequada (altura e inclinação);
Execução deficiente de aterros (compactação, geometria e fundação);
Lançamento de entulho e lixo nas encostas;
Vibrações produzidas por tráfego pesado e explosões, etc.
A execução de cortes em uma encosta provoca alteração no estado de tensões atuantes no
maciço, que podem levar ao aparecimento de trincas de tração no topo. Durante precipitações
intensas, estas trincas poderão ser preenchidas por água e levar o talude à ruptura.
73
As modificações na geometria das encostas alteram também as condições de drenagem e
de cobertura vegetal, facilitando a saturação do maciço e o desencadeamento de instabilizações
[124].
74
75
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Neste trabalho foram utilizados os conhecimentos e experiências adquiridas desde 1998,
quando foi iniciada a pesquisa em sensores de cerâmicas porosas para o monitoramento de
umidade do ar, no TECAMB-LAS. Desde esta época até o início de 2008, as medições de
capacitância e de condutância eram realizadas na temperatura ambiente e em umidades relativas
ambientes específicas. Estas umidades relativas eram obtidas, em um dispositivo fechado
contendo um certo volume de soluções aquosas saturadas de sais. Para cada valor de umidade
relativa ambiente, era utilizado um tipo de sal diferente. Neste período, apesar das limitações
experimentais, foram estudados vários tipos de materiais cerâmicos, técnicas e parâmetros de
processamento de cerâmicas porosas e características de elementos sensores cerâmicos para uso
como sensores de umidade do ar.
Somente em 2008, com a aquisição de uma câmara climática, foram iniciados
experimentos em umidades relativas com variação das temperaturas desde a ambiente até 50
o
C,
com uma eficiência muito alta na coleta de dados. Desta forma, até esta data, os estudos de
umidade em solos foram realizados nas condições específicas disponíveis no laboratório.
Neste trabalho de tese de doutorado foram utilizadas técnicas de processamento
cerâmicos e vários parâmetros de processo já estabelecidos pelo autor, em seus estudos
anteriores a 2008, tanto na etapa de iniciação científica como no início do doutorado.
Na investigação que será relatada neste trabalho, foram obtidas cerâmicas porosas de
solução sólida de ZrO
2
-TiO
2
com microestrutura controlada. As distribuições de tamanhos de
poros foram mantidas em uma faixa adequada para a adsorção física e química de moléculas de
água contida nos solos, sem comprometer a estabilidade estrutural da cerâmica. As
caracterizações elétricas dos elementos sensores cerâmicos foram realizadas em uma câmara
para simular as condições climáticas da região da coleta das amostras de solos na época do
deslizamento da encosta. Finalmente, foram feitas medições utilizando um sensor comercial
importado de umidade de solo, para comparação dos resultados obtidos pela utilização dos
elementos sensores de cerâmica porosa de ZrO
2
-TiO
2
.
76
3.1 MATERIAIS UTILIZADOS
Na realização desta tese, utilizaram-se matérias primas comerciais para a confecção das
pastilhas cerâmicas; amostras deformadas de solos provenientes de um deslizamento de terra;
dados climáticos referentes à região de coleta dos solos e um sensor comercial importado de
umidade de solo, que utiliza a técnica de Reflectometria no Domínio do Tempo, TDR - (Time
Domain Reflectometry), para comparações com os resultados dos elementos sensores cerâmicos
obtidos.
Considerando os vários métodos existentes para se determinar o teor de água no solo,
conforme detalhados no item 2.7, neste trabalho optou-se pela técnica de TDR devido,
principalmente, a possibilidade de leituras precisas em tempo real e de forma automatizada, além
da facilidade de operação e da instalação das sondas nas amostras de solos [130].
3.1.1 ZIRCÔNIA (ZrO
2
)
O pó de zircônia utilizado na confecção dos elementos sensores foi obtido em uma planta
piloto do Departamento de Materiais da Faculdade de Engenharia Química de Lorena (EEL),
USP, a partir de zirconita brasileira, cujo processo de síntese foi desenvolvido por Kuranaga
[131]. A composição química da ZrO
2
é mostrada na Tabela 3.1.
77
TABELA 3.1 - Análise química da zircônia utilizada neste trabalho (realizada por fluorescência
de raios X, no IPEN/SP).
ÓXIDOS
QUANTIDADE
(%)
ZrO
2
98,46
HfO
2
1,240
SO
3
< 0,001
Cl < 0,001
SiO
2
0,050
Fe
2
O
3
0,022
Al
2
O
3
0,016
TiO
2
0,001
Y
2
O
3
0,037
CaO 0,029
Cr
2
O
3
0,014
MnO 0,033
NiO 0,023
CuO 0,005
MnO 0,053
K
2
O < 0,001
Na
2
O 0,010
Fonte: Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN).
3.1.2 TITÂNIA (TiO
2
)
O pó de titânia utilizado na confecção dos elementos sensores cerâmicos foi fornecido
pela Empresa Certronic Ind. e Com. Ltda., Diadema, SP, Brasil. A composição química da TiO
2
é mostrada na Tabela 3.2.
TABELA 3.2 - Análise química da titânia utilizada neste trabalho (cedida pelo fornecedor).
ÓXIDOS
QUANTIDADE
(%)
TiO
2
98,02
Al
2
O
3
1,260
SiO
2
0,340
Fe
2
O
3
0,080
Na
2
O 0,130
Outros 0,17
Fonte: cedida pela Empresa Certronic Ind. e Com. Ltda.
3.1.3 AMOSTRAS DE SOLOS
As amostras deformadas de dois tipos de solos, provenientes de um deslizamento de terra,
foram coletadas no Km 30 da rodovia Floriano Rodrigues Pinheiro (SP-123), localizado na
78
região serrana do Estado de São Paulo, microrregião da Serra da Mantiqueira, próximo ao
município de Santo Antônio do Pinhal (Figura 3.1), em setembro de 2006.
FIGURA 3.1 - Localização da área de coleta das amostras de solos, que corresponde ao
município de Santo Antônio do Pinhal, mostrado em relação ao Brasil e ao
Estado de São Paulo.
Fonte: [132].
De acordo com a Base de Dados Geoambientais do Estado de São Paulo, elaborada pelo
Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), a região de coleta das amostras de solos apresenta de
alta a muito alta suscetibilidade a processos de escorregamentos, conforme indicada na Figura
3.2 [24].
79
FIGURA 3.2 - Principais domínios de processos geodinâmicos de superfície no Estado de São
Paulo.
Fonte: [24].
Segundo os Mapas de Susceptibilidade a Deslizamentos da Associação Internacional de
Geologia de Engenharia (IAEG) e da Sociedade Internacional de Mecânica dos Solos e
Engenharia de Fundações (ISS e MFE, 1993), corroborando com os Dados Geoambientais do
IPT, a região de coleta dos solos é área de alta susceptibilidade a deslizamentos de encostas, seja
pela freqüência de acidentes, seja pelo elevado número de obras de contenção executadas nas
encostas que, em geral, envolvem áreas com favelas, caracterizadas por depósitos de tálus,
blocos rochosos e lascas instáveis, entre outros [133].
3.1.4 DADOS CLIMÁTICOS DA REGIÃO DE COLETA DOS SOLOS
Os dados climáticos da microrregião da Serra da Mantiqueira, referentes ao município de
Campos do Jordão (SP), foram obtidos junto ao Banco de Dados Meteorológicos, Hidrológicos e
Ambientais do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), do Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), referentes ao mês de setembro de 2006, época na qual
houve o deslizamento da encosta e a coleta das amostras de solos (Apêndice A).
80
3.1.5 SENSOR COMERCIAL DE UMIDADE DE SOLO
O sensor de umidade de solo foi adquirido junto a Ag Solve – Monitoramento Ambiental,
representante brasileira da Decagon Device, Inc. – Measure World, Pullman WA U.S.A.
O princípio de operação deste sensor consiste na medida da constante dielétrica de áreas
circunvizinhas, fazendo uma relação direta com o volume de água na solução do solo, utilizando
a técnica de Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR). Ver métodos para determinar o teor
de água no solo na revisão da literatura (Capítulo 2) [134]. As especificações do sensor
comercial de umidade de solo são mostradas na Tabela 3.3.
TABELA 3.3 - Especificações do sensor comercial de umidade de solo. Decagon Device, Inc.
Soil Moisture Sensors (EC-20).
Especificações do sensor de TDR comercial
Tempo de medida 10 ms
Precisão
3 % padrão e
1 % com calibração específica
Resolução 0,002 m/m
Range 375 mV (seco) e 1000 mV (saturado)
Temperatura operacional
0-50
o
C
Dimensões 25,4 cm x 3,2 cm
Fonte: [134].
3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
3.2.1. PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DAS CERÂMICAS POROSAS
As cerâmicas porosas foram confeccionadas utilizando um processamento cerâmico
convencional, obedecendo as seguintes etapas: i) mistura mecânica a úmido e secagem dos pós;
ii) prensagem uniaxial das misturas dos pós e iii) sinterização em diversas temperaturas [47]. As
caracterizações químicas e físicas dos pós, assim como dos corpos cerâmicos, basearam-se na
identificação dos compostos químicos, das fases cristalinas presentes e na análise de tamanho de
partículas, como também nas análises da morfologia das partículas componentes dos mesmos.
As amostras de solos foram analisadas física e quimicamente. As caracterizações elétricas dos
elementos sensores cerâmicos foram obtidas através de medições da variação da capacitância dos
elementos sensores cerâmicos em função da variação das quantidades de água nas amostras de
solos, em condições climáticas pré definidas. As medições de umidade dos solos, pelo elemento
81
sensor cerâmico, foram realizadas em conjunto com o sensor comercial, para posterior
comparação dos dados obtidos.
Na Figura 3.3 é mostrado um fluxograma do procedimento experimental adotado para o
processamento dos elementos sensores cerâmicos porosos de ZrO
2
- TiO
2
, a partir de matérias-
primas nacionais.
FIGURA 3.3 - Fluxograma esquemático do procedimento experimental adotado para a
confecção dos elementos sensores cerâmicos.
ZrO
2
TiO
2
1:1
(em massa)
MISTURA DE PÓS
COMPACTAÇÃO DA MISTURA DE PÓS
Pressão 100 MPa (uniaxial)
SINTERIZAÇÃO DOS CORPOS COMPACTADOS
Temperaturas: 1000, 1100 e 1200
o
C por 2 horas
CONFECÇÃO DOS ELEMENTOS SENSORES CERÂMICOS
Metalização e encapsulamento
Difração de raios X
MEV
- Distribuição de tamanho de partículas
- Distribuição de tamanho de partículas
- MEV
- MEV
- Difração de raios X
-
Difração de raios X
MEV
Difração de raios X
Área superficial específica
Densidade aparente / Retração linear
Distribuição de tamanho de poros
MEV
Distribuição de tamanho de partículas
82
Na Figura 3.4 é mostrado o fluxograma do procedimento experimental adotado para a
caracterização elétrica dos elementos sensores cerâmicos de ZrO
2
- TiO
2
em função das
quantidades de água nas amostras de solos A e B, provenientes de um deslizamento de encosta
ocorrido no município de Santo Antônio do Pinhal, SP.
FIGURA 3.4 - Fluxograma esquemático do procedimento experimental adotado para a
caracterização elétrica dos elementos sensores cerâmicos.
COLETA DAS AMOSTRAS DE SOLOS A e B
Município de Santo Antônio do Pinhal, SP
Solo A Solo B
Análises químicas
- M.O.
- Grau de acidez (PH)
- Acidez potencial: qtidade de íons H e Al
- P, K, Ca, Mg trocáveis
- Soma de bases (SB)
- Capacidade de troca de cátions (CTC)
- Índice de saturação por bases
Análises físicas
- Classificação granulométrica (textural)
- Limites de Atterberg
Análises químicas
- M.O.
- Grau de acidez (PH)
- Acidez potencial: qtidade de íons H e Al
- P, K, Ca, Mg trocáveis
- Soma de bases (SB)
- Capacidade de troca de cátions (CTC)
- Índice de saturação por bases
Análises físicas
- Classificação granulométrica (textural)
- Limites de Atterberg
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS ELEMENTOS SENSORES
Medições de capacitância em função dos teores de água nas amostras de solos A e B
Em condições ambientes normais
Em condições climáticas controladas
COMPARAÇÃO COM OS RESULTADOS OBTIDOS COM O SENSOR COMERCIAL (TDR)
Medições realizadas nas mesmas condições que a dos elementos sensores cerâmicos
83
3.2.2 PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS PÓS
3.2.2.1 MISTURA MECÂNICA DOS PÓS PRECURSORES
Os pós precursores de ZrO
2
e TiO
2
comerciais, na proporção de 1:1 (em peso) e 10 %
(em volume) de álcool etílico, foram misturados mecanicamente por 4 horas em moinho de bolas
centrífugo. A velocidade de rotação do moinho foi de 200 rpm, utilizando-se esferas de alumina
com 10 mm de diâmetro. A secagem da mistura dos pós foi realizada em um evaporador rotativo
(secagem dinâmica), a fim de evitar a segregação química e física por decantação, devido à
diferença de densidades dos componentes da mistura. Os pós obtidos foram parcialmente
desaglomerados em um almofariz e passados em peneira (100 mesh) para a eliminação de
aglomerados grandes que poderiam prejudicar o empacotamento das partículas do pó na etapa de
prensagem.
Nesta etapa inicial do processamento cerâmico, procurou-se obter uma mistura dos pós de
ZrO
2
e TiO
2
com o melhor grau de homogeneização física e química permitida pela técnica.
Assim, espera-se obter cerâmicas sinterizadas com homogeneidade química e de distribuição de
tamanho de poros [49,53].
Para a preparação das misturas dos pós foram utilizados os seguintes equipamentos:
- Peneiras de 100 mesh, com 150 µm de abertura de malha, marca Granutest
(LAS/CTE/INPE);
- Balança analítica com precisão de 10
-4
g, marca BEL, modelo MARK 210A
(LAS/CTE/INPE);
- Moinho centrífugo, marca Retsch, modelo S100 (LAS/CTE/INPE);
- Evaporador rotativo, marca Tecnal, modelo TE 210 (LAS/CTE/INPE).
3.2.2.2 ANÁLISE DAS FASES CRISTALINAS PRESENTES NOS PÓS PRECURSORES
E DA MISTURA
A identificação dos compostos químicos e das fases cristalinas presentes nos pós
precursores e na mistura utilizada na confecção das pastilhas cerâmicas foi realizada pela técnica
de difração de raios X, empregando-se o método do pó [135]. O espectro obtido permite a
identificação do material analisado por comparação com os padrões compilados nas fichas
JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) [136].
84
O equipamento utilizado para a análise das fases cristalinas presentes foi um difratômetro
de raios X da marca PHILIPS, modelo PW 1380/80 (LAS/CTE/INPE). As condições
estabelecidas de trabalho foram as seguintes: radiação CuKα de comprimento (λ) igual a 1,54439
Å, no intervalo de medição de 10º<2θ<90º e varredura com passo angular de 0,05º.
3.2.2.3 ANÁLISE MORFOLÓGICA DAS PARTÍCULAS DOS PÓS PRECURSORES E
DA MISTURA
A análise morfológica das partículas dos pós por observação da forma e tamanhos de
aglomerados/agregados foi realizada utilizando o microscópio eletrônico de varredura (MEV)
[137].
O equipamento utilizado para esta análise foi um microscópio eletrônico de varredura
(MEV), marca JEOL, modelo JSM-5310 (LAS/CTE/INPE).
3.2.2.4 DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHOS DE PARTÍCULAS DOS PÓS
As curvas de distribuição de tamanhos de partículas dos pós precursores e da mistura
foram obtidas utilizando um
sedígrafo por raios X, marca Micromeritics, modelo Sedigraph 5100
do Instituto de Pesquisa Energia Nuclear (IPEN), em São Paulo, SP.
3.2.3 PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DAS CERÂMICAS
A finalidade do processamento dos pós de ZrO
2
-TiO
2
foi obter corpos cerâmicos porosos
que apresentassem: a) área superficial específica alta, b) distribuição de tamanho de poros dentro
de uma faixa pré-estabelecida (entre 0,1 µm e 2 µm) e (c) resistência mecânica suficiente para
serem utilizados como elementos sensores de umidade do solo [47].
3.2.3.1 COMPACTAÇÃO DA MISTURA DE PÓS PRECURSORES
A mistura de pós de ZrO
2
-TiO
2
foi conformada, na forma de pastilhas cilíndricas, por
prensagem uniaxial a frio, em matriz de aço-ferramenta, nas seguintes dimensões: 10 mm de
diâmetro e 2 mm de espessura. A pressão aplicada foi de 100 MPa. A compactação foi
cuidadosamente efetuada para minimizar os gradientes de densidade, devido às próprias
características do processo e ao estado de aglomeração/agregação da mistura de pós. Neste
sentido, alguns cuidados foram tomados, tais como o uso de lubrificantes para reduzir o atrito
85
das partículas do pó com a superfície da matriz (estearina) e para diminuir o atrito entre as
partículas do pó (álcool polivinílico, solução a 5 %).
O equipamento utilizado para a compactação da mistura pós de ZrO
2
-TiO
2
na forma de
corpos cerâmicos, foi uma prensa com banco de testes mecânicos acoplado da marca Comten
Industries, modelo 944KVC0100, alocado no LAS/CTE/INPE.
3.2.3.2 SINTERIZAÇÃO DOS CORPOS CERÂMICOS
Os corpos cerâmicos compactados de ZrO
2
-TiO
2
foram sinterizados em um forno do tipo
mufla nas temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C, por 2 horas, utilizando uma taxa de
aquecimento de 10
o
C.min.
-1
, em atmosfera ambiente. A taxa de resfriamento obedeceu a inércia
do forno até 200
o
C, quando as amostras foram retiradas da câmara do forno.
Para a realização da sinterização das cerâmicas foi utilizado um forno do tipo mufla, da
marca Brasimet, modelo K150, alocado no LAS/CTE/INPE.
3.2.3.3 ANÁLISE DAS FASES CRISTALINAS PRESENTES NAS CERÂMICAS
SINTERIZADAS
A identificação dos compostos químicos e das fases cristalinas presentes nas cerâmicas
sinterizadas foram obtidas pela técnica de difração de raios X, empregando-se a mesma técnica,
equipamento e parâmetros utilizados na análise dos pós precursores e da mistura (item 3.2.2.2).
3.2.3.4 ANÁLISE MORFOLÓGICA DAS CERÂMICAS SINTERIZADAS
Para as análises da microestrutura das cerâmicas sinterizadas em relação à forma e
tamanho de grãos e de poros, utilizou-se fotomicrografias obtidas em um microscópio eletrônico
de varredura (MEV). O equipamento utilizado foi um microscópio eletrônico de varredura, da
marca JEOL, modelo: JSM-5310, alocado no LAS/CTE/INPE.
3.2.3.5 DENSIDADE APARENTE DAS CERÂMICAS SINTERIZADAS
Os valores de densidade aparente das cerâmicas porosas sinterizadas foram determinadas
segundo o princípio de Archimedes, de acordo com a norma ASTM C20-87 [138].
86
Os dados para o cálculo da densidade, pelo princípio de Archimedes, foram realizados no
AMR/IAE/CTA.
3.2.3.6 RETRAÇÃO LINEAR DAS CERÂMICAS SINTERIZADAS
Neste trabalho, os valores de retração linear (∆d/d
o
) foram determinados utilizando dados
obtidos por medições das dimensões do diâmetro das amostras obtidas antes (d
o
) e depois (d) da
etapa de sinterização da cerâmica [47;53].
Para as medições dos corpos cerâmicos compactados (a verde) e das cerâmicas
sinterizadas foi utilizado um micrômetro com precisão de 0,001 mm, da marca: Mitutoyo,
modelo: M120-25 do LAS/CTE/INPE.
3.2.3.7 ANÁLISE DE DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHOS DE POROS
A determinação da distribuição de tamanhos de poros dos corpos sinterizados foi obtida
pela técnica de porosimetria de mercúrio. A porosimetria por injeção de mercúrio tem sido
extensivamente utilizada como uma técnica experimental para se obter curvas de distribuição de
tamanhos de poros em corpos sólidos porosos em função do volume de mercúrio penetrado.
A técnica se baseia no fato de que o mercúrio se comporta como um fluido não-molhante
em relação à maior parte das substâncias e compostos químicos. Por conseqüência, não penetra
espontaneamente em poros pequenos ou fissuras destes materiais. É necessária a aplicação de
pressão para promover a penetração. Admitindo-se os poros com forma cilíndrica (e diâmetro
constante), a relação entre a pressão e o menor diâmetro de poro ocupado pelo mercúrio é dada
pela seguinte equação (Equação 3.1):
4 cos
D
P
γ θ
=
−
(3.1)
Onde D, γ, θ e P são respectivamente diâmetro do poro, tensão superficial do mercúrio, ângulo
de contato (mercúrio e superfície) e força externa aplicada. Através da Equação 2, tem-se a
relação entre o tamanho do poro e a pressão necessária para que o mercúrio seja introduzido,
portanto, quanto menor o poro maior será a pressão necessária para que o mercúrio penetre na
microestrutura do material poroso.
87
Ao se registrar a redução do nível capilar, assim como o da pressão aplicada no líquido,
obtém-se uma curva porosimétrica (curva volume dV/dlogD × diâmetro de poro) que apresenta o
volume dos poros do material, que foi penetrado pelo mercúrio, em uma determinada pressão
[139].
Neste trabalho, as curvas do volume de Hg penetrado versus diâmetro de poro foram
obtidas em um porosímetro de mercúrio da marca Quantachrome, modelo Autoscan-33, com
disponibilidade de tratamento térmico das amostras. Desta maneira, as cerâmicas sinterizadas
foram tratadas termicamente em 200
o
C, por 2 horas, em vácuo (LCP/CTE/INPE).
3.2.3.8 DETERMINAÇÃO DA ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA
As medidas da área superficial específica das cerâmicas porosas sinterizadas foram
determinadas pelo método B.E.T., desenvolvido por Brunauer, Emmet e Teller, em 1938, o qual
utiliza o princípio de adsorção física superficial de gases [140].
O cálculo da área específica de superfície é realizado pelo uso de isotermas de adsorção.
De uma maneira simplificada, promove-se a adsorção e a dessorção física de nitrogênio gasoso
(N
2
) na superfície dos poros. Através da medição do volume desse gás em uma temperatura T
constante, em função da pressão do gás P, determina-se a quantidade de gás necessário para a
formação de uma monocamada de moléculas de nitrogênio nas superfícies expostas. A isoterma
é geralmente construída ponto a ponto pela entrada e saída de quantidades conhecidas de gás,
durante um determinado tempo para se alcançar o equilíbrio no sistema. No método B.E.T., para
a determinação da área específica de superfície a partir dos dados da isoterma de adsorção física
do gás, é utilizada a seguinte equação (Equação 3.2):
[ ]
1 1
.
a o m m o
P C P
V P P V C V C P
−
= +
−
(3.2)
Onde, V
a
é o volume do gás adsorvido pela amostra; V
m
é o volume de gás adsorvido, quando
uma superfície está recoberta por uma camada monomolecular; P é a pressão absoluta de um gás
sobre a amostra; P
o
é a pressão de saturação do gás adsorvido e C é uma constante que é função
da energia de interação adsorvido/adsorvente [141].
88
Os dados foram obtidos em um equipamento da marca Quantachrome NOVA, modelo
1200 Ver. 6.01, com tratamento térmico em 200
o
C, por 2 horas, em vácuo (LCP/CTE/INPE).
3.2.4. CARACTERIZAÇÃO DOS SOLOS
As amostras de solos foram caracterizadas através de análises físicas e químicas devido,
principalmente, as suas influências no dinamismo da água e na condutividade elétrica dos solos,
respectivamente. Portanto, enfatizaram-se, neste item, desde a importância da extração das
amostras de solo, no campo, até seus limites de consistência de Atterberg, classificação textural
ou granulométrica e sua composição química [142].
3.2.4.1 EXTRAÇÃO DAS AMOSTRAS DE SOLOS
Todos os ensaios de laboratório foram feitos com amostras de solos trazidas do campo e,
neste caso, duas amostras foram extraídas próximo ao município de Santo Antônio do Pinhal,
região serrana do Estado de São Paulo. Alguns resultados finais dependem do cuidado com que
essas amostras são extraídas, pois conforme o ensaio a ser realizado, há necessidade de serem
mantidas as características naturais do solo que se deseja ensaiar.
As estruturas de amostras são classificadas em dois tipos: a) deformada e b) indeformada.
Neste trabalho foram utilizadas somente amostras deformadas [143].
As amostras de estrutura deformada conservam o tipo de material e a textura e,
geralmente, são coletadas com pá ou trado manual (no mínimo a 20 cm abaixo da superfície do
solo) e transportadas em sacos de lona ou plástico. Neste estudo foram utilizadas duas amostras
de solos coletadas com pá e transportadas em sacos de lona, depois de serem cuidadosamente
embrulhadas com filme de PVC transparente, de alta qualidade, para completa vedação das
amostras.
3.2.4.2 CLASSIFICAÇÃO TEXTURAL OU GRANULOMÉTRICA DOS SOLOS
Nesta classificação, as amostras de solos foram agrupadas de acordo com a sua textura,
ou seja, com o tamanho de suas partículas, através do ensaio de granulometria. Em solos cujas
partículas têm dimensões maiores que 0,075 mm (peneira № 200 da American Society for
Testing Materials - A.S.T.M.), o ensaio granulométrico foi realizado pela técnica convencional
89
de peneiramento. Em solos finos, isto é, com partículas de dimensões menores que 0,074 mm,
utilizou-se o método de sedimentação contínua em meio líquido [144].
As escalas granulométricas mais utilizadas para a classificação textural dos solos são as
elaboradas pela A.S.T.M (American Society for Testing Materials), A.A.S.H.T.O. (American
Association for State Highway and Transportation Officials), M.I.T. (Massachusetts Institute of
Technology) e ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), conforme mostrada na
Figura 3.5.
FIGURA 3.5 - Escalas granulométricas adotadas pela A.S.T.M., A.A.S.H.T.O, M.I.T. e ABNT.
Fonte: [98].
No Brasil, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT/NBR 6502/95) –
Terminologia, Rochas e Solos, define a composição (ou frações) do solo como:
Bloco de rocha – fragmentos de rocha transportados ou não, com diâmetro superior a 1,0
m;
Matacão – fragmento de rocha transportado ou não, comumente arredondado por
intemperismo ou abrasão, com uma dimensão compreendida entre 200 mm e 1,0 m;
Pedregulho – solos formados por minerais ou partículas de rocha, com diâmetro
compreendido entre 2,0 e 60,0 mm. Quando arredondados ou semi-arredondados, são
denominados cascalhos ou seixos. Divide-se quanto ao diâmetro em: pedregulho fino (2 a
6 mm); pedregulho médio (6 a 20 mm) e pedregulho grosso (20 a 60 mm);
90
Areia – solo não coesivo e não plástico formado por minerais ou partículas de rochas
com diâmetros compreendidos entre 0,06 mm e 2,0 mm. As areias de acordo com o
diâmetro classificam-se em: areia fina (0,06 mm a 0,2 mm); areia média (0,2 mm a 0,6
mm) e areia grossa (0,6 mm a 2,0 mm);
Silte – solo que apresenta baixa ou nenhuma plasticidade, baixa resistência quando seco
ao ar. Suas propriedades dominantes são devidas à parte constituída pela fração silte. É
formado por partículas com diâmetros compreendidos entre 0,002 mm e 0,06 mm e
Argila – solo de granulação fina constituída por partículas com dimensões menores que
0,002 mm. Apresentam características marcantes de plasticidade; quando suficientemente
úmido, molda-se facilmente em diferentes formas, quando seco, apresenta coesão
suficiente para construir torrões dificilmente desagregáveis por pressão dos dedos.
Caracteriza-se pela sua plasticidade, textura e consistência em seu estado e umidade
naturais.
Raramente um solo ou horizonte é constituído de uma só das frações acima definidas,
mas sim de uma combinação com diferentes proporções destas. Para facilitar a identificação de
solos com propriedades próximas, é possível utilizar um diagrama trilinear dos solos, como
mostrado na Figura 3.6.
FIGURA 3.6 - Diagrama trilinear de classificação textural de solos.
Fonte: [143].
91
A classificação textural ou granulométrica das amostras de solos utilizadas neste trabalho
foram realizadas no Laboratório de Mecânica dos Solos do Departamento de Engenharias Civil e
Ambiental, da Universidade de Taubaté (UNITAU).
Para esta classificação textural ou granulométrica das amostras de solos foram utilizados
os seguintes equipamentos:
- Peneirador automático ou manual da marca BERTEL (Depto. de Engenharia Civil e
Ambiental - UNITAU) e
- Densímetro da marca CIAL (Depto. de Engenharia Civil e Ambiental - UNITAU).
3.2.4.3 LIMITES DE CONSISTÊNCIA DE ATTERBERG
Sabe-se que, para os solos em cuja textura haja certa porcentagem de fração fina, não
basta a granulometria para caracterizá-los, pois suas propriedades plásticas dependem do teor de
umidade, além da sua composição química. Desta forma, para se caracterizar adequadamente um
solo, conforme ocorrido neste trabalho, foram incluídas, também, as determinações do limite de
consistência e da composição química.
O comportamento de um solo argiloso varia em função do teor de umidade, podendo
passar de um estado quase líquido (do tipo lama), para um estado sólido. Nessa variação de
comportamento do solo podem ser definidos vários estados intermediários de consistência. Neste
caso, os teores de umidade que os definem são conhecidos como limites de consistência de
Atterberg, em homenagem ao engenheiro sueco Atterberg que propôs esta subdivisão [145].
Os limites de consistência dos solos são conhecidos como limites de contração (LC), de
plasticidade (LP) e de liquidez (LL). O LC corresponde à transição entre os estados sólido e
semi-sólido, o LP corresponde à transição entre os estados semi-sólido e plástico, enquanto o LL
define o teor de umidade acima do qual o solo passa do estado plástico para o estado líquido,
comportando-se como um fluido viscoso, de acordo com o mostrado na Figura 3.7.
92
FIGURA 3.7 - Esquema indicando a posição relativa dos Limites de Atterberg e do índice de
plasticidade.
Os limites de consistência de Atterberg (LL, LP e LC) foram determinados para as
amostras de solos utilizadas neste trabalho [146], provenientes de um deslizamento de encosta no
município de Santo Antônio do Pinhal, SP. O limite de liquidez (LL) foi determinado utilizando
o aparelho de Casagrande (Figuras 3.8a e 3.8b e 38.c), no qual define a quantidade de água
necessária para uma amostra de solo se tornar um fluído viscoso, semelhante ao ocorrido na
maioria dos deslizamentos de encostas.
O limite de plasticidade (LP) corresponde à porcentagem de umidade na qual o solo
começa a se fraturar durante o modelamento de um cilindro de dimensões preestabelecidas
(Figura 3.9a). Geralmente, determina-se a umidade de diferentes pedaços do cilindro para obter o
valor médio da umidade, utilizando a diferença de massa depois do procedimento e após a
secagem da amostra (Figura 3.9b).
93
a)
b) c)
FIGURA 3.8 - a) Aparelho de Casagrande usado para a determinação do limite de liquidez, b)
especificações da concha de Casagrande e c) especificações do cinzel.
Fonte: [146].
a) b)
FIGURA 3.9 - Procedimento manual para a determinação do limite de plasticidade. a) formação
do cilindro e b) pedaços do cilindro para determinar a umidade média.
Fonte: [146].
94
O limite de contração (LC) corresponde ao teor de umidade do solo a partir do qual o
mesmo não mais se contrai, não obstante continue a perder peso, em função da perda de água por
secagem.
Os limites de consistência das amostras de solos utilizadas neste trabalho foram
determinados no Laboratório de Mecânica dos Solos do Departamento de Engenharias Civil e
Ambiental, da Universidade de Taubaté (UNITAU).
O equipamento utilizado para a determinação do limite de liquidez foi um aparelho de
Casagrande, ABNT MB-30, ASTM D423, AASHO T8957 (Depto. de Engenharia Civil e
Ambiental - UNITAU).
3.2.4.4 ANÁLISE QUÍMICA DAS AMOSTRAS DE SOLOS
Atualmente, no Brasil, existem três sistemas básicos de análise química do solo,
elaborados por:
a) Serviço Nacional de Levantamento e Conservação do Solo [147];
b) Rio Grande do Sul e de Santa Catarina [148] e
c) Instituto Agronômico de Campinas - IAC, SP [149].
Para este trabalho foi escolhido o sistema de análise de solo elaborado pelo Instituto
Agronômico de Campinas (IAC), devido a sua simplicidade e eficiência. No Sistema IAC, uma
análise de rotina do solo consiste em: a) determinar a quantidade de matéria orgânica do solo e
seu grau de acidez (pela medição do pH) e a acidez potencial medida pela quantidade de íons H e
Al que o solo pode liberar no meio; b) extrair e quantificar o fósforo disponível e o potássio, o
cálcio e o magnésio trocáveis; c) determinar a soma de bases (SB), a capacidade de troca de
cátions (CTC) e o índice de saturação por bases (V %)
[150].
As análises químicas das amostras de solos utilizadas neste trabalho foram realizadas no
Laboratório de Análises de Solos e Plantas do Departamento de Ciências Agrárias, da
Universidade de Taubaté (UNITAU), que é certificada pelo Programa de Qualidade de Análise
de Solo – Sistema IAC, 2006.
95
3.2.5 CARACTERIZAÇÃO DOS ELEMENTOS SENSORES CERÂMICOS EM
RELAÇÃO À UMIDADE DE SOLOS
3.2.5.1 PREPARAÇÃO DOS ELEMENTOS SENSORES DE CERÂMICAS POROSAS
SINTERIZADAS
As cerâmicas foram cortadas em 2 metades, no sentido de seus diâmetros. As superfícies
planas do topo e da base destas cerâmicas de ZrO
2
-TiO
2
foram metalizadas com cola prata, com
o objetivo de permitir a geração do efeito capacitivo nos elementos sensores. Em cada uma das
superfícies foram conectados eletrodos. O elemento sensor assim preparado é mostrado
esquematicamente na Figura 3.10.
FIGURA 3.10 - Representação esquemática do elemento sensor de cerâmica porosa recoberto
com filme metálico e com eletrodos conectados em ambas as superfícies
planas.
Fonte: adaptada [151].
Depois de metalizadas com cola prata condutora (fornecida pela Sigma Aldrich Química
Brasil LTDA), as cerâmicas foram isoladas eletricamente com o uso de uma resina epóxi
(fabricada pela Silaex Química LTDA), cujo objetivo foi medir a umidade adsorvida/dessorvida
pela área de corte das cerâmicas expostas ao meio (Figura 3.11).
96
FIGURA 3.11 - Representação esquemática do elemento sensor cerâmico recoberto com filme
metálico e eletrodos conectados em ambas as superfícies (em destaque).
3.2.5.2 MEDIÇÕES DE TEMPO DE RESPOSTA E ESTABILIZAÇÃO NA ADSORÇÃO
E DESSORÇÃO DE ÁGUA
Neste experimento, os elementos sensores de ZrO
2
-TiO
2
, sinterizados nas temperaturas
de 1000, 1100 e 1200
o
C, foram imersos em amostras de solo A secas (as secagens foram feitas
em estufa por 24 horas em 110
o
C), para as realizações de 5.000 medições de capacitância,
correspondendo a 5.000 segundos (trecho I) (cada medição de capacitância equivale ao tempo de
1 s). Em seguida, os mesmos elementos sensores foram retirados das amostras secas e
introduzidos em outras amostras de solo A, mas, dessa vez, com suas capacidades totais de água
preenchidas (baseada no limite de consistência de Atterberg – limite de liquidez, LL: 32,2 % em
peso de água), para as realizações de mais 5.000 medições de capacitância (trecho III).
Finalmente, os mesmos elementos sensores foram retirados das amostras de solo A saturadas e
foram imersos, novamente, nas amostras de solo A secas, para mais uma série de 5.000 medições
de capacitância (trecho V). O ambiente da câmara foi mantido na temperatura ambiente (25
o
C) e
com umidade relativa de 74 %.
A amostra de solo A escolhida para a realização destes ensaios, foi baseada
principalmente à distribuição de tamanhos de partículas com maior quantidade de partículas
muito pequenas (silte + argila: 13,60 % – areia fina: 52,34 % – areia média: 34,06 %), quando
comparada à amostra de solo B (silte + argila: 0,98 % – areia fina: 83,61 % – areia média: 15,41
%). Dessa forma, os elementos sensores cerâmicos foram testados em solo com características
físicas mais completas.
97
3.2.5.3 MEDIÇÕES DO CONTEÚDO DE ÁGUA NAS AMOSTRAS DE SOLOS
Os elementos sensores de ZrO
2
-TiO
2
sinterizados em 1000, 1100 e 1200
o
C, devidamente
encapsulados, foram imersos nas amostras de solos previamente caracterizadas, conforme
mostrado na Figura 3.12. A secagem das amostras de solos foi realizada em estufa, durante 24
horas, em 110
o
C. Usando um medidor ou ponte RLC, foram realizadas 10 medições de
capacitância, em cada elemento sensor, para cada quantidade de água deionizada adicionada às
amostras de solos, partindo da condição seca dos solos até a saturada. O medidor (ou ponte) RLC
foi responsável pela excitação e aquisição de sinais elétricos dos corpos cerâmicos utilizados
como elementos sensores (Figura 3.12).
O uso da água deionizada se deve a ausência de sais inorgânicos em sua composição, o
que permite eliminar a influência de espécies iônicas dissolvidas nos valores de capacitância
medidos neste trabalho.
O volume de água total utilizado nas caracterizações elétricas se baseou nos limites de
consistência de Atterberg, pois estes limites definem o comportamento dos solos em relação à
variação de umidade dos mesmos em situações com risco de deslizamento de encostas. Os
valores de capacitância dos sensores cerâmicos, medidos pela ponte RLC, somente foram
obtidos 24 horas após a adição de água no solo, para permitir a estabilização da umidade do solo
em relação ao ambiente de forma a se obter medições elétricas coerentes com a realidade
(comportamento da água no solo).
98
FIGURA 3.12 - Esquema da caracterização elétrica, pelo medidor RLC, dos sensores cerâmicos
de umidade de solo.
As caracterizações elétricas dos elementos sensores cerâmicos em função da variação da
umidade das amostras de solos foram realizadas em uma câmara climática em duas condições: 1)
medições elétricas na temperatura e umidade relativa do ar ambientes (monitoradas por um
sensor comercial (fabricado pela NOVUS, modelo RHT Modbus) e 2) medições elétricas em
condições pré-definidas de temperatura e de umidade relativa do ar. As condições climáticas
simularam as médias da temperatura e da umidade relativa do ar medidas no mês de setembro de
2006, época na qual ocorreu o deslizamento de encosta no município de Santo Antônio do Pinhal
e a coleta das amostras de solos. Em paralelo, utilizou-se um sensor comercial de umidade de
solo, nas mesmas condições, para comparações com dados obtidos pelos elementos sensores de
cerâmica porosa de ZrO
2
-TiO
2
desenvolvidos neste trabalho.
Os equipamentos utilizados para as medições do conteúdo de água nos solos utilizando
elementos sensores cerâmicos foram:
- Sensor de temperatura e de umidade relativa do ar da marca NOVUS, modelo RHT Modbus;
- Estufa da marca Fanem, modelo 320-SE;
99
- Medidor RLC da marca Philips, modelo PM6304 e
- Câmara climática da marca WEISS TECHNIK, modelo WKL 100/40.
100
101
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 CARACTERÍSTICAS DOS PÓS PRECURSORES E DA MISTURA
Os pós precursores de ZrO
2
e TiO
2
e da mistura utilizada para a confecção das cerâmicas
foram caracterizadas pelas técnicas de difratometria de raios X (DRX), de microscopia eletrônica
de varredura e por sedimentação (para obtenção da distribuição de tamanhos de partículas dos
pós).
4.1.1 FASES CRISTALINAS PRESENTES
De acordo com os difratogramas de raios X obtidos dos pós de ZrO
2
e de TiO
2
,
identificou-se a presença dos picos característicos da estrutura cristalina monoclínica da zircônia,
conforme comparação com a ficha padrão JCPDS 86-1451 (Figura 4.1a) e dos picos
característicos da estrutura cristalina tetragonal da titânia (anatásio), conforme comparação com
a ficha padrão JCPDS 89-4921 (Figura 4.1b).
0 20 40 60 80 100
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Intensidade (u.a.)
2
θ
θθ
θ
Zircônia monoclínica
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
100
200
300
400
Intensidade (u.a.)
2
θ
θθ
θ
Titânia tetragonal (anatásio)
a) b)
FIGURA 4.1 - Difratogramas de raios X dos pós de: a) ZrO
2
com estrutura cristalina
monoclínica e b) TiO
2
com estrutura cristalina tetragonal, correspondente ao
anatásio.
O difratograma de raios X da mistura dos pós precursores de ZrO
2
(monoclínica) e de
TiO
2
(tetragonal) na proporção de 1:1 (em peso), de acordo com a Figura 4.2, não mostrou
evidências de mudança de fases cristalinas, decorrentes do processo de mistura mecânica. Na
102
mistura de pós de ZrO
2
-TiO
2
, observa-se somente a presença dos picos característicos dos pós
precursores, no intervalo de medição (de 10<2θ<80), conforme proposto no trabalho. Portanto,
este resultado indica que os componentes iniciais (ZrO
2
e TiO
2
) não reagiram entre si e não
foram detectados contaminantes no pó obtido, provenientes, principalmente, dos equipamentos
utilizados no processamento cerâmico da mistura de pós.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
500
1000
ZrO
2
-TiO
2
ZrO
2
Intensidade (u.a.)
2
θ
θθ
θ
TiO
2
FIGURA 4.2
-
Difratogramas de raios X dos pós de ZrO
2
e de TiO
2
e da mistura ZrO
2
-TiO
2
.
4.1.2 MORFOLOGIA DOS PÓS PRECURSORES E DA MISTURA
A técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi empregada a fim de observar
a morfologia das partículas dos pós precursores e da sua mistura utilizada na confecção dos
elementos sensores de umidade. A morfologia das partículas dos pós exerce uma grande
influência no comportamento do pó durante os processos de compactação e sinterização,
influindo assim na microestrutura e nas propriedades da cerâmica sinterizada.
De acordo com as imagens obtidas por MEV, o pó de ZrO
2
mostra uma mistura de
aglomerados e de agregados de partículas, com diferentes tamanhos (Figura 4.3).
As micrografias da TiO
2
(anatásio) mostram as partículas em sua grande maioria
aglomeradas. No entanto, os aglomerados da titânia apresentam-se mais uniformes quanto ao
tamanho conforme mostrado na Figura 4.4.
103
FIGURA 4.3 - Imagens obtidas por MEV do pó de ZrO
2
.
FIGURA 4.4 - Fotomicrografias obtidas por MEV do pó de TiO
2
.
As imagens, obtidas por MEV da mistura dos pós de ZrO
2
e de TiO
2
, conforme
apresentadas na Figura 4.5, mostram as características morfológicas semelhantes àquelas
encontradas nos pós individuais (Figuras 4.3 e 4.4).
As imagens obtidas por MEV apresentaram resoluções que não permitiram a
identificação de aglomerados formados por partículas muito pequenas. Desta forma, para uma
identificação mais completa de aglomerados e de agregados dos pós estudados seria necessário o
uso de microscopia eletrônica de transmissão (MET) ou microscopia eletrônica de varredura de
alta resolução – MEV-FEG (ou Field Effect Scanning Eletronic Microscopy – FESEM).
Agregados
Aglomerados
Aglomerados
Agregados
Aglomerados
Aglomerados
104
FIGURA 4.5 - Imagens obtidas por MEV da mistura mecânica dos pós de ZrO
2
e de TiO
2
.
4.1.3 DISTRIBUIÇÃO DO TAMANHO DE PARTÍCULAS DOS PÓS
As curvas de distribuição de tamanhos de partículas dos pós de ZrO
2
e de TiO
2
e da sua
mistura são mostradas na Figura 4.6. Na Tabela 4.1 são mostrados os valores de diâmetro médio
de partículas destes pós.
A curva relativa à mistura dos pós mostra um comportamento coerente com as curvas
relativas aos seus componentes individuais, porém com um pequeno aumento na quantidade de
partículas com diâmetros equivalentes abaixo de 0,1 µm (100 nm), considerado resultante da
homogeneização dos pós durante a etapa de mistura mecânica, que pode ter desaglomerado as
partículas. No entanto, a maioria das partículas está na faixa de tamanhos entre 0,1 a 3 µm,
105
mostrando que a mistura dos pós é caracterizada por partículas dominantemente nas escalas
submicro e micrométrica.
No entanto, a distribuição de tamanhos de partículas medida pela técnica utilizada,
depende da eficiência do defloculante utilizado. O objetivo do uso desta substância é de
promover a desaglomeração dos aglomerados de partículas mais fracamente ligadas. Portanto, é
necessário a realização de um estudo específico para cada pó, através da medição do potencial
zeta da suspensão das partículas do pó em água em função da quantidade de agente defloculante.
Nestes casos, utilizam-se as imagens obtidas por MEV dos pós para uma análise
qualitativa do estado de aglomeração/agregação do pó.
FIGURA 4.6 - Curvas de distribuição de tamanhos de partículas dos pós de ZrO
2
e de TiO
2
e da
sua mistura na proporção 1:1 (em peso).
106
TABELA 4.1 - Valores de diâmetro médio de partículas dos pós de ZrO
2
e de TiO
2
e da sua
mistura na proporção 1:1 (em peso).
Material
Diâmetro médio equivalente de partículas do pó
(µ
µµ
µm)
ZrO
2
1,4
TiO
2
0,3
ZrO
2 +
TiO
2
(1:1)
0,7
4.2 CARACTERÍSTICAS DAS CERÂMICAS SINTERIZADAS
Os corpos compactados de ZrO
2
+ TiO
2
, sinterizados nas temperaturas de 1000, 1100 e
1200
o
C, durante 2 horas, foram caracterizados pelas técnicas de difratometria de raios X,
microscopia eletrônica de varredura (MEV), porosimetria de mercúrio, área específica (BET),
densidade aparente pelo princípio de Arquimedes e retração linear.
Os valores de temperaturas e tempo utilizado para a sinterização das cerâmicas,
empregadas neste trabalho, foram obtidos com base em estudos anteriores realizados pelos
pesquisadores da Linha de Pesquisas SUCERA do Grupo de Pesquisas TECAMB
(LAS/CTE/INPE) [10-18].
4.2.1 FASES CRISTALINAS PRESENTES
O espectro de difração de raios X da cerâmica sinterizada em 1000
o
C, por 2 horas,
conforme verificado na Figura 4.7, mostra a presença das fases cristalinas dos pós precursores:
ZrO
2
com estrutura cristalina monoclínica (que é estável até cerca de 1100
o
C) e TiO
2
com
estrutura cristalina tetragonal do anatásio e titânia tetragonal do rutílio (ficha padrão JCPDS 89-
4920).
107
20 40 60 80
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
m
a
r
m
m
m
a
a
(r) Titânia (rutilo)
r
a
r
a
a
a
a
r
r
m
m
m
r
m
m
(a) Titânia (anatásio)
Intensidade (u.a.)
2
θ
θθ
θ
(m) Zircônia (monoclínica)
FIGURA 4.7 - Difratograma de raios X da cerâmica sinterizada em 1000
o
C por 2 horas.
A presença de TiO
2
(rutílio) era esperada, pois, segundo a literatura consultada, a
transformação da estrutura cristalina do anatásio para rutílio ocorre na temperatura de
aproximadamente 850
o
C [64,65]. Neste caso, no entanto, os resultados indicam que o tempo de
tratamento térmico foi insuficiente para que a transformação do anatásio em rutílio se
completasse.
O difratograma de raios X da cerâmica sinterizada em 1100
o
C indica a presença da fase
cristalina monoclínica da ZrO
2
(Figura 4.8). No entanto, os picos característicos da TiO
2
(anatásio) ainda estão presentes, indicando que a transformação de fases anatásio → rutílio ainda
não foi completamente alcançada.
O espectro de difração de raios X mostrado na Figura 4.9 permite a identificação da fase
tetragonal metaestável da zircônia, embora ainda possam ser observados picos referentes à
estrutura cristalina monoclínica. Quanto à titânia, observa-se ainda a presença da fase cristalina
anatásio, embora em quantidade minoritária em relação ao rutílio.
108
20 40 60 80
0
10
20
30
40
50
60
70
m
m
r
r
r
r
r
a
a
a
m
m
m
m
r
(r) Titânia (rutilo)
(a) Titânia (anatásio)
Intensidade (u.a.)
2
θ
θθ
θ
(m) Zircônia (monoclínica)
m
FIGURA 4.8 - Difratograma de raios X da cerâmica sinterizada em 1100
o
C por 2 horas.
20 40 60 80
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
t
t
(t) Zircônia (tetragonal)
m
r
r
r
r
r
r
a
a
r
m
m
m
m
m
m
m
(r) Titânia (rutilo)
(a) Titânia (anatásio)
Intensidade (u.a.)
2
θ
θθ
θ
(m) Zircônia (monoclínica)
m
FIGURA 4.9 - Difratograma de raios X da cerâmica sinterizada em 1200
o
C por 2 horas.
Na Figura 4.10, os difratogramas de raios X, anteriormente apresentados nas Figuras 4.7
a 4.9, são mostrados juntos com o objetivo de permitir uma melhor visualização da evolução das
transformações de fases cristalinas ocorridas na zircônia e na titânia, em função da temperatura
de tratamento térmico. Assim sendo, pelas intensidades relativas dos picos de difração de raios é
possível observar que com o aumento da temperatura de sinterização ocorreu: i) o aumento da
109
quantidade da fase cristalina rutílio na TiO
2
e ii) a transformação de parte da fase monoclínica da
ZrO
2
em tetragonal metaestável na cerâmica sinterizada em 1200
o
C.
Em todas as cerâmicas estudadas não foi identificada a presença de qualquer composto
químico formado a partir da zircônia (ZrO
2
) e da titânia (TiO
2
). De acordo com os trabalhos
anteriores elaborados pelos pesquisadores do Grupo SUCERA, na faixa de temperatura utilizada
neste trabalho ocorre a formação de solução sólida do tipo ZrO
2
-TiO
2
[11-13]. Esta solução
sólida favorece a adsorção química das moléculas de água nas superfícies dos poros das
cerâmicas sinterizadas [59,60,72].
Atualmente, em outro trabalho de pesquisa, desenvolvido pelo Grupo SUCERA, está
sendo investigada as influências das estruturas cristalinas da zircônia (monoclínica e tetragonal)
e da titânia (anatásio e rutílio) na capacidade de absorção/adsorção de umidade ambiente por
elementos sensores porosos destas cerâmicas.
20 30 40 50 60 70 80
0
50
100
150
200
250
300
r
r
r
r
r
r
r
r
m
m
m
m
m
m
m
m
t
a
a
a
r
a
m
a
a
a
r
r
r
r
a
m
m
m
t
(r) TiO
2
rutilo
(a) TiO
2
anatásio
(m) ZrO
2
monoclínica
(t) ZrO
2
tetragonal
1100
o
C
1200
o
C
Intensidade (u.a.)
2
θ
θθ
θ
1000
o
C
FIGURA 4.10 - Difratogramas de raios X das cerâmicas sinterizadas nas temperaturas de 1000,
1100 e 1200
o
C por 2 horas.
110
4.2.2 CARACTERÍSTICAS DAS MICROESTRUTURAS
Nas imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) de uma cerâmica
sinterizada na temperatura de 1000
o
C, como mostra a Figura 4.11, identifica-se uma
microestrutura porosa, com poros de vários tamanhos e formas. A microestrutura desta cerâmica
mostra que uma parte das partículas não apresenta formação de pescoço, característica do
primeiro estágio de sinterização.
A cerâmica sinterizada na temperatura de 1100
o
C mostra que uma grande quantidade de
partículas estão fortemente ligadas, indicando que o sistema atingiu o estágio inicial de
sinterização (Figura 4.12). Nas micrografias obtidas por MEV é possível a observação de
contornos de grãos (regiões do pescoço entre partículas adjacentes que coalesceram).
Nas imagens obtidas por MEV de uma cerâmica sinterizada na temperatura de 1200
o
C,
observa-se o progresso do processo de sinterização apresentando uma menor quantidade de
poros, com tamanhos menores quando comparado à cerâmica sinterizada em 1100
o
C (Figura
4.13).
FIGURA 4.11 - Imagens obtidas por MEV da superfície de fratura de uma cerâmica sinterizada
na temperatura de 1000
o
C.
Empescoçamentos
Empescoçamentos
111
FIGURA 4.12 - Imagens obtidas por MEV da superfície de fratura de uma cerâmica sinterizada
na temperatura de 1100
o
C.
FIGURA 4.13 - Imagens obtidas por MEV da superfície de fratura de uma cerâmica sinterizada
na temperatura de 1200
o
C.
4.2.3 DENSIDADE RELATIVA E RETRAÇÃO LINEAR
A Figura 4.14 mostra o comportamento da curva de densidade relativa em função da
temperatura de sinterização das cerâmicas de ZrO
2
-TiO
2
. O comportamento da curva mostra que
o aumento da temperatura de sinterização promoveu o aumento na densidade das cerâmicas.
Porém, os valores de densidade relativa apresentaram uma variação pequena.
Contornos de grãos
112
1000 1100 1200
52,0
52,5
53,0
53,5
54,0
54,5
55,0
55,5
Densidade (%)
Temperatura de sinterização (
o
C)
FIGURA 4.14 - Comportamento da densidade relativa em função da temperatura de sinterização
das cerâmicas de ZrO
2
-TiO
2
.
Os valores da densidade relativa indicam que estas cerâmicas possuem porosidades altas,
porém com variação também pequena em função da temperatura de sinterização (Tabela 4.2).
TABELA 4.2 - Valores de densidade relativa e de porosidade relativa para as cerâmicas porosas
de ZrO
2
-TiO
2
sinterizadas.
Cerâmica/T
sinterização
Densidade relativa
(%)
Porosidade relativa
(%)
ZrO
2
-TiO
2
/1000
o
C 52,05 47,95
ZrO
2
-TiO
2
/1100
o
C 54,05 45,95
ZrO
2
-TiO
2
/1200
o
C 55,40 44,60
A variação da retração linear em função da temperatura de sinterização das cerâmicas
sinterizadas é mostrado na Figura 4.15. Verifica-se que a cerâmica sinterizada na temperatura de
1000
o
C apresentou uma retração linear muito pequena, equivalente a 0,5 % em relação às
dimensões do corpo cerâmico a verde. No entanto, as cerâmicas sinterizadas em 1100 e 1200
o
C
apresentaram valores de retração linear maiores, de 2,4 e 2,8 %, respectivamente (Tabela 4.3).
113
FIGURA 4.15 - Comportamento da retração linear em função da temperatura de sinterização das
cerâmicas de ZrO
2
-TiO
2
.
TABELA 4.3 - Valores de retração linear das cerâmicas porosas de ZrO
2
-TiO
2
sinterizadas.
Cerâmica/T
sinterização
Retração linear
(%)
ZrO
2
-TiO
2
/1000
o
C 0,5
ZrO
2
-TiO
2
/1100
o
C 2,4
ZrO
2
-TiO
2
/1200
o
C 2,8
Os valores de densidade e porosidade relativas estão coerentes com valores de retração e
com as microestruturas mostradas nas Figuras 4.11 a 4.13.
4.2.4 DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHO DE POROS
As curvas de distribuição de tamanhos de poros das cerâmicas sinterizadas nas
temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C foram obtidas através da técnica de porosimetria de
mercúrio. As curvas obtidas mostram os tamanhos de poros em relação ao volume de poros
(Figura 4.16).
1000 1100 1200
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Retração linear (%)
Temperatura de sinterização (
o
C)
114
Na cerâmica sinterizada na temperatura de 1000
o
C, os raios dos poros situam-se na faixa
de 0,006 a 2,0 µm, sendo que o maior volume de poros encontra-se na faixa de 0,04 a 1,1 µm
(Figura 4.16a). A cerâmica sinterizada em 1100
o
C mostra poros na mesma faixa de tamanhos,
porém com maior volume de poros na faixa de tamanhos entre 0,08 e 1,1 µm (Figura 4.16b). Na
Figura 4.16c, observa-se que a cerâmica sinterizada em 1200
o
C apresenta poros na faixa de
tamanhos entre 0,006 a 1,3 µm, porém o maior volume de poros está situado na faixa de 0,4 a 0,7
µm.
Estes resultados mostram que todas as cerâmicas apresentam poros com tamanhos
dominantemente na faixa submicrométrica (diâmetros dos poros), exceto a cerâmica sinterizada
em 1000
o
C que possui um volume de poros significativo na faixa nanométrica de tamanhos,
melhor visualizado na Figura 4.17.
Dessa forma, verifica-se que com o aumento da temperatura de sinterização ocorre uma
alteração na distribuição de tamanho de poros na microestrutura das cerâmicas. A alteração mais
evidente é o desaparecimento dos poros com tamanhos menores. No entanto, como os resultados
de densidade relativa e de retração linear das cerâmicas mostram pequenas variações (item
4.2.3), com a ajuda das imagens obtidas por MEV das microestruturas das cerâmicas torna-se
possível verificar que a diminuição de tamanhos de poros está associada à densificação dos
aglomerados de partículas durante a sinterização.
115
0,01 0,1 1 10
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
Volume de poros (cm
3
.g
-1
)
Raio de poro (
µ
µµ
µ
m)
a)
0,01 0,1 1 10
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
Volume de poros (cm
3
.g
-1
)
Raio de poro (
µ
µµ
µ
m)
b)
0,01 0,1 1 10
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Volume de poros (cm
3
.g
-1
)
Raio de poro (
µ
µµ
µ
m)
c)
FIGURA 4. 16 - Curvas de distribuição de tamanhos de poros nas cerâmicas sinterizadas nas
temperaturas de: a) 1000, b) 1100 e c) 1200
o
C.
116
0,01 0,1 1
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Volume de poros (cm
3
.g
-1
)
Raio de poro (
µ
µµ
µ
m)
1000
o
C
1100
o
C
1200
o
C
FIGURA 4. 17 - Curvas de distribuição de tamanhos de poros nas cerâmicas sinterizadas nas
temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C.
Na Figura 4.18 é mostrada o comportamento de redução do volume total de poros com o
aumento da temperatura de sinterização das cerâmicas. Na Tabela 4.4 são apresentados os
valores de volume total de poros para as cerâmicas sinterizadas em 1000, 1100 e 1200
o
C.
1000 1100 1200
0,180
0,185
0,190
0,195
0,200
Volume total de poros (cm
3
.g
-1
)
Temperatura de sinterização (
o
C)
FIGURA 4.18 - Comportamento do volume total de poros nas cerâmicas sinterizadas nas
temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C.
117
TABELA 4.4 - Valores de volume total de poros para as cerâmicas porosas de ZrO
2
-TiO
2
sinterizadas.
Cerâmica/T
sinterização
Volume total de poros
(cm
3
.g
-1
)
ZrO
2
-TiO
2
/1000
o
C 0,197
ZrO
2
-TiO
2
/1100
o
C 0,188
ZrO
2
-TiO
2
/1200
o
C 0,179
Estes resultados de redução do volume total de poros em função da temperatura de
sinterização estão coerentes com aqueles esperados para os estágios de sinterização, descritos no
item 2.2.2. Porém, como se trata de um sistema com porosidade alta, estes estágios de
sinterização somente são observados nas regiões de conexão entre os grãos [48,50].
Infelizmente, a literatura registra apenas um trabalho de modelagem de distribuição de
tamanhos de poros em sensores de umidade [82]. No entanto, o modelo utilizado é muito
simplificado e não pode ser utilizado neste trabalho, onde as cerâmicas apresentam uma estrutura
complexa de formas e de tamanhos de poros. Sendo assim, são necessárias investigações
sistemáticas futuras nestas cerâmicas para se obter a melhor distribuição de tamanhos de poros.
4.2.5 ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA
O comportamento da curva da área superficial específica em função da temperatura de
sinterização das cerâmicas, cujos valores foram determinados pelo uso do método BET, mostra a
diminuição da área específica das cerâmicas com aumento da temperatura de sinterização,
conforme observado na Figura 4.19. Os valores de área superficial específica das cerâmicas
estudadas são mostrados na Tabela 4.5.
Os resultados obtidos de área superficial específica das cerâmicas sinterizadas estão
coerentes com aqueles obtidos para a distribuição de tamanhos de poros, e ambos indicam uma
relação direta entre a redução dos tamanhos de poros e a redução da área superficial específica
dos elementos sensores cerâmicos.
118
O conhecimento da distribuição de tamanhos de poros e da área superficial específica é
de fundamental importância para a utilização das cerâmicas porosas como elementos sensores de
umidade, devido à importância dos poros para o controle da superfície sólida disponível para a
adsorção física e química das moléculas de água.
1000 1100 1200
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Área superficial específica (m
2
.g
-1
)
Temperatura de sinterização (
o
C)
FIGURA 4.19 - Comportamento da área superficial específica em função da temperatura de
sinterização das cerâmicas porosas de ZrO
2
-TiO
2
.
TABELA 4.5 - Valores de área superficial específica para as cerâmicas porosas de ZrO
2
-TiO
2
sinterizadas.
Cerâmica/T
sinterização
Área Superficial Específica
(m
2
/g)
ZrO
2
-TiO
2
/1000
o
C 3,6
ZrO
2
-TiO
2
/1100
o
C 2,9
ZrO
2
-TiO
2
/1200
o
C 0,7
4.3 CARACTERÍSTICAS DAS AMOSTRAS DE SOLOS
As amostras de solos coletadas próximo ao município de Santo Antônio do Pinhal, região
serrana do Estado de São Paulo (microrregião da Serra da Mantiqueira), foram nomeadas como
A e B. Na Figura 4.20 são mostrados os locais exatos da extração destas amostras de solo.
119
FIGURA 4.20 - Local de coleta das amostras de solo, situado na rodovia Floriano Rodrigues
Pinheiro (SP-123), km 30, no município de Santo Antônio do Pinhal, SP.
4.3.1 ANÁLISES FÍSICAS DOS SOLOS
A Tabela 4.6 mostra os resultados obtidos das análises físicas das amostras de solos A e
B, referentes à classificação textural ou granulométrica e aos teores de umidade que as definem
(limites de consistência de Atterberg).
TABELA 4.6 - Análises físicas das amostras de solos A e B.
Índices físicos Amostra de solo A
Amostra de solo B
Solo
Latossolo amarelo Latossolo vermelho
Cor
Amarelo Vermelho
Limite de liquidez
32,2 % 31 %
Limite de plasticidade
Não plástico (N.P.)
Não plástico (N.P.)
Silte + Argila (%)
13,60 0,98
Areia fina (%)
52,34 83,61
Areia média (%)
34,06 15,41
Areia grossa (%)
0,00 0,00
Pedregulho (%)
0,00 0,00
Solo A
Solo
B
Rodovia Floriano Rodrigues Pinheiro (SP-123)
120
A classificação das amostras de solos A e B, de acordo com a EMBRAPA [98], podem
ser melhor identificadas no Mapa de Solos (Figura 4.21a), onde está localizado o local de coleta
na região sul do município de Santo Antônio do Pinhal. No aspecto geomorfológico da Serra da
Mantiqueira, a região sul do município de Santo Antônio do Pinhal, onde foi realizada a extração
das amostras de solos utilizadas neste trabalho, é caracterizada por paisagens de serras (Figura
4.21b).
a)
b)
FIGURA 4.21 - Mapas georreferenciados referentes ao Município de Santo Antônio do Pinhal,
SP. a) mapa de solos e b) mapas geomofológicos.
Fonte: [152].
De acordo com os resultados da Tabela 4.4, o solo A apresenta uma parcela ativa da
fração mineral (silte + argila de 19,60 %) muito maior, quando comparado com o solo B (silte +
argila de 0,98 %). Por esta razão é propícia para sediar fenômenos de troca de íons mais intensos.
A presença de partículas com tamanhos menores, no solo A, favorece a resistência à erosão, a
retenção de água e de nutrientes, pelas propriedades coloidais que lhes estão associadas. Por sua
vez, o Solo B apresenta frações minerais presentes mais com tamanhos maiores, o que lhe
121
confere propriedades como drenabilidade, permeabilidade e aeração melhores, que são
indispensáveis para o equilíbrio água-ar.
4.3.2 ANÁLISES QUÍMICAS DOS SOLOS
As amostras de solos A e B foram submetidas a análises químicas, a fim de se verificar a
influência de seus componentes e características químicas, principalmente a presença de sais
solúveis, nas medidas de capacitância em função de teores de água nos solos.
Nesta análise, a qual se empregou o Sistema IAC de Análise de Solo (Instituto
Agronômico de Campinas, SP), determinou-se a matéria orgânica do solo (M.O.); o seu grau de
acidez (dado pelo pH) e a acidez potencial medida pela quantidade de íons H e Al que o solo
pode liberar no meio; quantificaram-se o fósforo disponível e o potássio, o cálcio e o magnésio
trocáveis; calcularam-se a soma de bases (SB), a capacidade de troca de cátions (CTC) e o índice
de saturação por bases (V%). Os resultados destas análises são mostrados na Tabela 4.7.
TABELA 4.7 - Resultado analítico das amostras A e B dos solos utilizados nesse trabalho.
K Ca Mg H+Al
SB CTC B Cu Fe
Mn Zn
Amostras
pH M.O.
P
mmolc/dm
3
V
(%)
mg/dm
3
SOLO A
4,3 - 2 1,1 4,0 1,1 18 6,2 24,2 26 0,20 0,1 3 2,4 0,4
SOLO B
4,2 - 3 0,5 3,0 1,0 29 4,5 33,5 13 0,16 0,2 4 0,7 0,2
Como já mencionado, as partículas presentes com dimensões menores na fração argilosa
e siltosa dos solos, bem como a matéria orgânica e alguns óxidos, apresentam cargas elétricas
superficiais. Essas cargas elétricas desempenham importante papel nas trocas químicas entre as
partículas sólidas e a solução aquosa que as envolve, repelindo ou absorvendo íons e radicais
orgânicos livres, configurando o que se denomina capacidade de troca iônica do solo. Porém, se
houver excesso de cargas negativas, o solo é caracterizado como trocador de cátions, propriedade
esta que pode ser medida (capacidade de troca catiônica - CTC). No entanto, se o excesso for de
cargas positivas, mede-se a sua capacidade de troca aniônica (CTA). Os solos com CTC mais
elevada, que é o caso do solo B, tendem a reter nutrientes como o cálcio, potássio, magnésio,
entre outros. Por outro lado, não apresentam tendência a reter ânions como os nitratos e os
cloretos, que podem passar livremente para as águas do lençol freático subterrâneo,
contaminando-as.
122
Em relação aos valores de pH, os solos localizados em zonas de pluviosidade alta tendem
a apresentar valores mais baixos do pH em conseqüência do processo de lixiviação das bases dos
horizontes superiores, pela infiltração e percolação das águas. As condições climáticas
predominantes em nosso país, fazem com que quase a totalidade dos solos apresente valores de
pH inferiores a 7, como é o caso da microrregião da Serra da Mantiqueira no Estado de São
Paulo. Há, ainda outras causas de acidez progressiva, como o cultivo intensivo com retirada, sem
reposição de nutrientes essenciais, a erosão e deslizamentos que removem as camadas
superficiais que contêm maiores teores de bases e a adubação com compostos de amônio (sulfato
e nitrato).
4.4. COMPORTAMENTOS DE ESTABILIDADE E DE RESPOSTA NA ADSORÇÃO E
DESSORÇÃO DE UMIDADE PELOS ELEMENTOS SENSORES CERÂMICOS
POROSOS DE ZrO
2
-TrO
2
Os ensaios básicos de desempenho e de operação: a) sensibilidade à umidade, b)
estabilidade, c) velocidade de resposta, d) histerese e e) confiabilidade, foram verificados para
estabelecer a capacidade dos elementos sensores cerâmicos porosos de ZrO
2
-TiO
2
em responder
eletricamente aos estímulos recebidos do meio, no caso as moléculas de água contidas no ar e no
solo.
Na primeira série de experimentos foram realizadas medições de capacitância em função
das umidades relativas do ar de 35, 45, 55, 65, 75, 85 e 98 % nas temperaturas do ambiente de
25, 35 e 45
o
C, simuladas em uma câmara climática, conforme mostradas na Figura 4.22. Neste
ensaio foi utilizado o elemento sensor cerâmico de ZrO
2
-TiO
2
sinterizado na temperatura de
1100
o
C, pois apresentou os resultados mais representativos quando comparado com os
elementos sensores sinterizados nas temperaturas de 1000 e 1200
o
C.
Na Figura 4.22, observou-se que os valores de capacitância do elemento sensor cerâmico,
sinterizado na temperatura de 1100
o
C, permaneceram iguais até a umidade relativa do ar de 45
% para as temperaturas do ambiente de 25, 35 e 45
o
C e, a partir de 55 %, as variações das
medições elétricas do elemento sensor cerâmico submetido à temperatura de 45
o
C foram
maiores, seguida pela temperatura de 35
o
C e, por fim, pela temperatura de 25
o
C. Ou seja, as
medições de capacitância do elemento sensor em relação a uma faixa definida de umidade
relativa foram mais influenciadas pela temperatura maior (45
o
C) do que pela temperatura menor
123
(25
o
C). Vale ressaltar, que a diferença entre as maiores variações das medições de capacitância,
no caso do elemento cerâmico submetido a 45
o
C e as menores variações, no caso do elemento
cerâmico submetido a 25
o
C, não ultrapassaram 0,4 picoFarday sendo, portanto, variações
mínimas em relação as temperaturas do ambiente, o que demonstra a confiabilidade do elemento
sensor cerâmico, quando submetido a certas condições específicas, em um determinado tempo.
30 40 50 60 70 80 90 100 110
10
-11
10
-10
25
o
C
35
o
C
45
o
C
Capacitância (F)
Umidade relativa do ar (%)
FIGURA 4.22 - Comportamento da variação da capacitância em função da umidade relativa do
ar, a partir de medições realizadas em várias temperaturas do ambiente,
utilizando um elemento sensor de ZrO
2
-TiO
2
(sinterizado em 1100
o
C).
Na segunda série de experimentos, realizaram-se caracterizações elétricas de capacitância
em relação às medições crescentes e decrescentes das umidades relativas do ar de 35, 45, 55, 65,
75, 85 e 98 %, somente na temperatura ambiente de 25
o
C, para avaliar a histerese dos elementos
sensores cerâmicos, como mostradas na Figura 4.23. Estas condições foram simuladas em uma
câmara climática. Conforme o ensaio anterior, utilizou-se o elemento sensor cerâmico poroso de
ZrO
2
-TiO
2
sinterizado na temperatura de 1100
o
C, pois apresentou os resultados mais
representativos quando comparado com os elementos sensores sinterizados nas temperaturas de
1000 e 1200
o
C.
Na Figura 4.23, observou-se uma histerese baixa originada pela diferença dos valores
crescentes de umidade relativa, conforme mostrado na curva 1 e dos valores decrescentes de
124
umidade relativa, conforme mostrado da curva 2. Este comportamento se deve as moléculas de
água que adsorveram quimicamente na superfície dos poros do elemento sensor cerâmico.
Portanto, esta camada, uma vez formada, não é mais afetada pela exposição à umidade;
entretanto, pode ser termicamente dessorvida, conforme descrito no item 2.3.5. Dessa forma,
enquanto a variação das medições de capacitância da curva 1 foi estimulada pela adsorção
química seguida pela adsorção física da água, a variação elétrica da curva 2 foi estimulada,
principalmente, pela adsorção física.
30 40 50 60 70 80 90 100
5x10
-12
10
-11
1,5x10
-11
2x10
-11
2
Capacitância (F)
Umidade relativa do ar (%)
25
o
C
1
FIGURA 4.23 - Medições de capacitância do elemento sensor de ZrO
2
-TiO
2
com variações
crescentes da umidade relativa do ar (curva 1) e com variações decrescentes
(curva 2), na temperatura ambiente de 25
o
C.
Na Figura 4.24 são mostrados os comportamentos das curvas de capacitância × tempo
para os elementos sensores sinterizados nas temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C. Podem ser
observadas a estabilidade de adsorção de água e a resposta do elemento sensor em função da
mudança da umidade do solo da condição de solo saturado (com 32,2 % em peso de água –
Limite de consistência) para solo seco, ambos na presença de ambiente na temperatura de 25
o
C
e umidade relativa do ar de 74 % (Figura 4.24). Nos trechos I, III e V são mostrados os
comportamentos de estabilização dos valores de capacitância dos elementos sensores cerâmicos.
Os trechos II e IV mostram os comportamentos de resposta dos elementos sensores cerâmicos
em função da variação da umidade. Os comportamentos de histerese foram verificados
125
considerando as diferenças de valores de capacitância dos trechos I e III, na adsorção de água e
nos trechos III e V para a dessorção. Os resultados mostraram que as histereses foram muito
pequenas.
0 2500 5000 7500 10000 12500 15000
10
-11
10
-10
IV
V
III
II
Capacitância (F)
Tempo (s)
1000
o
C
1100
o
C
1200
o
C
I
Medições em: I - solo seco, III - solo saturado e V - solo seco.
Transição de: solo seco para solo saturado (trecho II) e de solo saturado para solo seco (trecho
IV).
FIGURA 4.24 - Curvas mostrando as respostas na adsorção/dessorção de água e estabilizações
dos elementos sensores de ZrO
2
-TiO
2
sinterizados nas temperaturas de 1000,
1100 e 1200
o
C.
As Figuras 4.25 a 4.27 mostram os comportamentos das curvas de capacitância × tempo,
onde podem ser observados os comportamentos de estabilização e as respostas na
adsorção/dessorção de água para cada um dos elementos sensores porosos de ZrO
2
-TiO
2
sinterizados em 1000, 1100 e 1200
o
C.
126
-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Tempo (s)
1000
o
C
a)
4996 4998 5000 5002 5004 5006
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Tempo (s)
1000
o
C
b)
9996 9998 10000 10002 10004 10006
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Tempo (s)
1000
o
C
c)
FIGURA 4.25 - Curvas mostrando a resposta na adsorção/dessorção de água e estabilização do
elemento sensor de ZrO
2
-TiO
2
sinterizado em 1000
o
C: a) curva completa
mostrando a estabilização na adsorção/dessorção de água, b) resposta na
adsorção de água e c) resposta na dessorção de água.
127
-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Tempo (s)
1100 oC
a)
4996 4998 5000 5002 5004 5006
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Tempo (s)
1100
o
C
b)
9996 9998 10000 10002 10004 10006
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Tempo (s)
1100
o
C
c)
FIGURA 4.26 - Curvas mostrando a resposta na adsorção/dessorção de água e a estabilização do
elemento sensor de ZrO
2
-TiO
2
sinterizado em 1100
o
C: a) curva completa, b)
resposta na adsorção de água e c) resposta na dessorção de água.
128
-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 1200014000 16000
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Tempo (s)
1200
o
C
a)
4996 4998 5000 5002 5004 5006
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Tempo (s)
1200
o
C
b)
9996 9998 10000 10002 10004 10006
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Tempo (s)
1200
o
C
c)
FIGURA 4.27 - Curvas mostrando a resposta e a estabilização na adsorção/dessorção de água
pelo elemento sensor de ZrO
2
-TiO
2
sinterizado em 1200
o
C: a) curva completa,
b) resposta na adsorção de água e c) resposta na dessorção de água.
129
Os valores dos tempos de resposta, para todos os elementos sensores investigados, estão
limitados pelo intervalo de medição, o que indica que estes tempos são iguais ou menores do que
1 s. Em investigações futuras, serão realizadas modificações no sistema de aquisição de dados de
forma a permitir a medição de umidade em intervalos de tempo menores, de forma a permitir a
determinação dos tempos de resposta na adsorção e na dessorção.
Observa-se que os elementos sensores cerâmicos porosos sinterizados em 1100 e 1200
o
C
apresentam uma estabilização imediata, tanto na adsorção quanto na dessorção de água, que se
mantém em função do tempo. No entanto, o elemento sensor sinterizado em 1000
o
C apresenta
uma pequena diminuição nos valores de capacitância em função do tempo. Este comportamento
pode estar relacionado à adsorção de espécies iônicas provenientes do solo. Para o
esclarecimento deste comportamento é necessária uma futura investigação sobre a adsorção
irreversível na superfície dos poros da cerâmica e, portanto acumulativa, de espécies iônicas
presentes em solos.
4.5 CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS ELEMENTOS SENSORES CERÂMICOS
DE UMIDADE DE SOLO
Os valores de capacitância dos elementos sensores cerâmicos de ZrO
2
-TiO
2
, sinterizados
nas temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C, foram obtidos em função de teores crescentes de água
adicionados, em porcentagens controladas, nas amostras de solos A e B. Estas medições foram
feitas com os elementos sensores imersos nos solos, desde aproximadamente 1 % de umidade,
que representa a água de constituição e a água adesiva ou adsorvida dos solos, até a saturação em
ambas amostras de solos.
O conteúdo de água (deionizada) utilizado na caracterização elétrica dos elementos
sensores cerâmicos foi baseado nos limites de consistência de Atterberg. De acordo com os
resultados das análises físicas dos solos, mostrados no item 4.3.1, considerou-se o limite de
liquidez para a simulação de um deslizamento de encosta ocorrido na Serra da Mantiqueira,
próximo ao município de Santo Antônio do Pinhal (SP), pois as amostras de solos, tanto A,
quanto a B, apresentaram comportamentos de não plasticidade. Vale lembrar, que o limite de
liquidez (LL) define o teor de umidade acima do qual o solo passa do estado plástico ao estado
líquido, ou seja, transforma-se em um fluído viscoso, situação semelhante a um deslizamento de
terra. Desta forma, no solo A, colocou-se 32,2 % de água em relação à massa de solo seca (a
130
secagem ocorreu em estufa, por 24 horas, em 110
o
C), em 10 porções iguais, que foram
estabilizadas por 24 horas, antes do início das medições de capacitância. No solo B, colocou-se
31 % de água em relação à massa seca do solo B, nas mesmas condições do solo A.
A caracterização elétrica dos elementos sensores de ZrO
2
-TiO
2
, por medições de
capacitância em função da quantidade de umidade do solo, foi realizada em duas condições. Na
primeira, as medições de capacitância foram obtidas com o sistema amostra de solo + elementos
sensores cerâmicos exposto à temperatura ambiente de 25
o
C e à umidade relativa do ar de 74 %
(valores obtidos pelo sensor da marca NOVUS, modelo RHT Modbus, no Laboratório de
Sensores Ambientais (LSA) do LAS/CTE/INPE). Neste caso, os recipientes contendo as
amostras de solos, juntamente com os elementos sensores imersos, foram vedados, após a adição
de cada porção de água, com filme de PVC transparente, a fim de que não houvesse perda de
umidade do solo para a atmosfera e, com isso, mascarasse os resultados obtidos. Na segunda
condição, as medições de capacitância foram obtidas com o sistema amostra de solo + elementos
sensores cerâmicos introduzido em uma câmara climática, cujas temperatura e umidade relativa
do ar, conforme mostradas na Tabela 4.8, referem-se aos valores médios do mês de setembro de
2006, data na qual ocorreu o deslizamento da encosta no município de Santo Antônio do Pinhal,
região serrana do estado de São Paulo.
Os dados climáticos da Tabela 4.8 foram calculados através dos gráficos fornecidos pelo
Banco de Dados Meteorológicos, Hidrológicos e Ambientais do Centro de Previsão de Tempo e
Estudos Climáticos (CPTEC), do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), conforme
podem ser verificados no Apêndice A, referentes ao mês de setembro de 2006 na microrregião
da Serra da Mantiqueira (medições climáticas realizadas a cada 3 horas).
131
TABELA 4.8 - Valores médios de temperaturas do ar e de umidades relativas do ar obtidos nas
condições climáticas ocorridas em setembro de 2006, no município de Santo
Antônio do Pinhal, SP.
Gráficos
(médias)
Temperatura do ar
(
o
C)
Umidade relativa do ar
(%)
I
10,49 73,76
II
13,22 80,24
III
7,19 77,88
IV
10,49 78,60
V
14,77 68,32
VI
14,99 80,44
VII
14,20 80,88
VIII
13,85 80,95
IX
12,96 81,04
X
12,12 80,96
XI
14,30 82,84
Valor médio
12,59
o
C 78,72 %
Fonte: dados fornecidos pelo CPTEC/INPE (Apêndice A).
4.5.1 COMPORTAMENTOS DA VARIAÇÃO DA CAPACITÂNCIA EM FUNÇÃO DA
UMIDADE DE SOLO NAS CONDIÇÕES AMBIENTES
Neste item, os elementos sensores cerâmicos sinterizados em 1000, 1100 e 1200
o
C foram
caracterizados eletricamente, através de medições de capacitância em função de teores crescentes
de água nas amostras de solo A e de solo B, sob condições ambientes normais, isto é, na:
temperatura de 25
o
C e umidade relativa do ar de 74 % (em peso).
As caracterizações elétricas dos elementos sensores cerâmicos foram realizadas em
condições ambientes normais para serem utilizadas como parâmetro para possíveis comparações
com as caracterizações elétricas realizadas sob condições climáticas controladas (temperatura e
umidade relativa do ar), semelhantes aos do local de extração das amostras de solos,
provenientes de um deslizamento de terra ocorrido no município de Santo Antônio do Pinhal,
SP.
De acordo com as curvas apresentadas na Figura 4.28, os elementos sensores cerâmicos
de ZrO
2
-TiO
2
, sinterizados em 1000, 1100 e 1200
o
C, respondem eletricamente ao estímulo do
132
meio (com conteúdos específicos de água na amostra de solo A, até a quantidade de saturação
correspondente à 32,2 % em peso). A amostra de solo B apresentou um limite de liquidez de 31
%.
As curvas da Figura 4.28 mostram comportamentos que estão relacionados com as curvas
de distribuição de tamanhos de poros mostradas nas Figuras 4.16 e 4.17. As curvas tendem a
linearidade à medida que a distribuição de tamanhos de poros da cerâmica se torna mais estreita
com poros em uma faixa maior de tamanhos.
A curva de capacitância × conteúdo de umidade na cerâmica para a cerâmica sinterizada
em 1000
o
C apresenta-se mais bem comportada em relação ao posicionamento dos pontos.
Observa-se também que para os valores de conteúdo de água de aproximadamente 0 até cerca de
7,5 %, esta cerâmica mostra uma maior variação da capacitância em função do teor de umidade.
Nesta faixa de conteúdo de água no solo, os valores de capacitância apresentam menores
variações à medida que o tamanho mínimo de poros na cerâmica aumenta (de acordo com a
Figura 4.17). Este resultado indica que os poros pequenos (com tamanhos na escala
nanométrica) apresentam uma maior capacidade de retirar umidade do solo por força capilar.
133
0 5 10 15 20 25 30 35
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1000
o
C
a)
0 5 10 15 20 25 30 35
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1100
o
C
b)
0 5 10 15 20 25 30 35
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1200
o
C
c)
FIGURA 4.28 - Curvas de capacitância em função do conteúdo de água nas amostras de solo A,
realizadas na temperatura ambiente (25
o
C) e umidade relativa do ar de 74 %,
utilizando os elementos sensores cerâmicos sinterizados nas temperaturas de: a)
1000, b) 1100 e c) 1200
o
C.
134
As curvas de capacitância × conteúdo de água no solo para as cerâmicas imersas no solo
B apresentam comportamentos aproximadamente semelhantes (Figura 4.29). Neste caso, não se
observa um comportamento marcantemente diferente para a adsorção de umidade pelas
cerâmicas em solos com valores pequenos de conteúdo de umidade.
As curvas mostradas nas Figuras 4.28 e 4.29 indicam que a capacitância aumenta com o
aumento do conteúdo de água nos solos. Os comportamentos destas curvas mostraram que a
composição do solo influencia na capacidade de adsorção de água da cerâmica. O solo A que
possui uma fração grande de argila, cujas partículas apresentam área específica alta e, portanto
têm a capacidade de absorver e adsorver uma maior quantidade de água. Por outro lado, esta
água absorvida/adsorvida nas superfícies das partículas das argilas necessitam de uma força
maior para serem retiradas, ou seja, cerâmicas com poros pequenos. Isto explica o
comportamento da curva de capacitância × conteúdo de água no solo A do elemento sensor
cerâmico sinterizado em 1000
o
C.
Por outro lado, os pontos que ficaram muito dispersos, podem estar associados ao fato da
adsorção de umidade pela cerâmica não ter alcançado a estabilidade. Neste caso, um tempo
maior de permanência do sensor cerâmico imerso no solo, poderá estabilizar a adsorção de água
pela cerâmica.
135
0 10 20 30
10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1000
o
C
a)
0 10 20 30
10
-11
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1100
o
C
b)
0 10 20 30
10
-11
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1200
o
C
c)
FIGURA 4.29 - Comportamentos das curvas de capacitância, em função do conteúdo de água
nas amostras de solo B, realizadas, na temperatura ambiente (25
o
C) e umidade
relativa do ar de 74 %, utilizando os elementos sensores cerâmicos sinterizados
nas temperaturas de: a) 1000, b) 1100 e c) 1200
o
C.
136
4.5.2 COMPORTAMENTOS DA CAPACITÂNCIA EM FUNÇÃO DA UMIDADE DO
SOLO SOB CONDIÇÕES CLIMÁTICAS CONTROLADAS
Neste item, as medições de capacitância dos elementos sensores de ZrO
2
-TiO
2
,
sinterizados em 1000, 1100 e 1200
o
C, obtidas em função das adições de 10 porções iguais de
água até atingir o limite de liquidez das amostras de solos A e B, respectivamente, conforme
ocorrido no item anterior, foram realizadas em condições ambientais controladas (semelhantes às
médias das condições climáticas na época do deslizamento da encosta, em Santo Antônio do
Pinhal, SP), cuja temperatura do ar foi de 12,59
o
C e a umidade relativa do ambiente (ar) foi de
78,72 % (de acordo com os dados apresentados no Apêndice A).
A simulação das condições climáticas do local de deslizamento de terra, no município de
Santo Antônio do Pinhal, SP, onde foram extraídas as amostras de solos A e B, foi realizada a
fim de investigar a capacidade sensora dos elementos cerâmicos em monitorar a umidade de
solos em áreas de risco, sob a influência do meio. Este procedimento foi adotado considerando
que, em caso de deslizamento de terra, a confiabilidade na medição é de importância
fundamental. Portanto, quanto maior o número de parâmetros considerados (tipo do solo,
condições climáticas da região, relevo, ocupação imprópria, entre outras), maior será a
probabilidade de se prevenir a ocorrência destas catástrofes envolvendo perdas de vidas.
Inicialmente, observou-se que as condições climáticas de temperatura e de umidade
relativa da região de Santo Antônio do Pinhal, SP, influenciaram a quantidade necessária de água
para atingir o limite de liquidez da amostra de solo A, conforme mostrado na Figura 4.30 (LL de
42,96 %). Ao invés das 10 porções de água programadas, foram necessárias 13 porções para
transformar a amostra de solo A seca em um fluido viscoso, conforme definição para limite de
liquidez.
Os comportamentos das curvas de capacitância × conteúdo de água no solo A (Figura
4.30) foram semelhantes aqueles observados para este solo nas condições ambientais normais
(Figura 4.28), até o conteúdo de umidade no solo de 32,2 %. Porém, os pontos apresentaram uma
maior dispersão de posição, o que indica a necessidade de um maior tempo de estabilização para
a adsorção de água antes de realizar a medição.
137
Os valores de capacitância medidos nestas condições ambientais foram menores do que
aqueles obtidos em condições normais, indicando a influência da temperatura ambiente.
138
0 10 20 30 40
4x10
-11
6x10
-11
8x10
-11
Capacitancia (F)
Conteúdo de água no solo (%)
1000
o
C
a)
0 10 20 30 40
3,6x10
-11
4x10
-11
4,4x10
-11
4,8x10
-11
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1100
o
C
b)
0 10 20 30 40
4x10
-11
4,5x10
-11
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1200
o
C
c)
FIGURA 4.30 - Curvas de capacitância em função do conteúdo de água nas amostras de solo A,
com medições realizadas na temperatura do ar de 12,59
o
C e umidade relativa do
ar de 78,72 %, utilizando os elementos sensores cerâmicos sinterizados nas
temperaturas de: a) 1000, b) 1100 e c) 1200
o
C.
139
Na Figura 4.31 são apresentadas as curvas de capacitância × conteúdo de água no solo B,
para os elementos sensores cerâmicos sinterizados nas temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C.
Nas condições ambientais de temperatura do ar de 12,59
o
C e umidade relativa do ar de
78,72 %, o solo B apresentou um limite de fluidez de 37,84 %. Este resultado confirma que o
limite de fluidez do solo foi influenciado pelas condições climáticas do ambiente.
Os comportamentos das curvas de capacitância × conteúdo de água no solo B são
coerentes com aqueles obtidos nas condições climáticas normais (Figura 4.29). Neste caso, os
pontos também apresentaram uma maior dispersão de posição, o que indica a necessidade de um
maior tempo de estabilização para a adsorção de água antes de realizar a medição.
140
0 10 20 30 40
4x10
-11
6x10
-11
8x10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1000
o
C
a)
0 10 20 30 40
10
-12
10
-11
10
-10
10
-9
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1100
o
C
b)
0 10 20 30 40
4x10
-11
5x10
-11
6x10
-11
7x10
-11
8x10
-11
9x10
-11
10
-10
Capacitância (F)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
1200
o
C
c)
FIGURA 4.31 - Curvas de capacitância em função do conteúdo de água nas amostras de solo B,
com medições realizadas na temperatura do ar de 12,59
o
C e umidade relativa do
ar de 78,72 %, utilizando os elementos sensores cerâmicos sinterizados nas
temperaturas de: a) 1000, b) 1100 e c) 1200
o
C.
141
4.6 COMPORTAMENTO DA VARIAÇÃO DA UMIDADE DO SOLO UTILIZANDO O
SENSOR DE UMIDADE DE SOLO COMERCIAL PELA TÉCNICA DA
CONSTANTE DIELÉTRICA (TDR)
Nas medições realizadas utilizando o sensor de umidade de solo comercial (TDR), foram
usadas as mesmas amostras de solo A e solo B, com os mesmos valores dos limites de liquidez,
32,2 e 31 %, respectivamente e as mesmas condições ambientais: (a) Condições ambientais
normais - T. 25
o
C e UR: 74 % e (b) Condições ambientais controladas - T: 12,59
o
C e UR: 78,72
%, utilizadas para caracterizar os elementos sensores cerâmicos de ZrO
2
-TiO
2
desenvolvidos
neste trabalho. Porém, a resposta do sensor comercial quanto ao estímulo do meio (teores de
água das amostras de solos A e B) foi fornecida pelo próprio sensor comercial, ou seja, Percent
Water Content (PCT) dado em cm.m
-1
. As curvas obtidas são mostradas nas Figuras 4.32 e 4.33.
Os comportamentos destas curvas são diferentes daqueles obtidos utilizando os elementos
sensores cerâmicos desenvolvidos neste trabalho. Observa-se comportamento tendendo para
linear para as curvas obtidas a partir de medições no solo A, que contem uma distribuição
granulométrica mais homogênea, com uma maior fração de partículas muito pequenas (argila).
Este resultado indica que a composição do solo influencia de forma marcante no comportamento
da curva. Este comportamento pode estar relacionado ao fato que este tipo de sensor ser capaz de
medir a condutância relacionada à água livre no solo (absorvida) ou fracamente adsorvida nas
superfícies das partículas do solo (água adsorvida fisicamente).
142
0 5 10 15 20 25 30 35
10
1
2x10
1
3x10
1
Sensor comercial (cm.m
-1
)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
a)
0 10 20 30 40 50
10
1
Sensor comercial (cm.m
-1
)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
b)
FIGURA 4.32 - Curvas obtidas pelo sensor comercial, dado em conteúdo de água percentual
(cm/m), em função de teores de água nas amostras de solo A, realizadas em: a)
condições ambientes normais e b) temperatura do ar de 12,59
o
C e umidade
relativa do ar de 78,72 %.
143
0 5 10 15 20 25 30 35
10
0
10
1
Sensor comercial (cm.m
-1
)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
a)
0 10 20 30 40
10
-1
10
0
10
1
Sensor comercial (cm.m
-1
)
Conteúdo de água no solo (% em peso)
b)
FIGURA 4.33 - Curvas obtidas pelo sensor comercial, dado em conteúdo de água percentual
(cm/m), em função de teores de água nas amostras de solo B, realizadas em: a)
atmosfera ambiente (vedado com filme de PVC transparente) e b) temperatura
do ar de 12,59
o
C e umidade relativa do ar de 78,72 %.
4.7 ANÁLISES COMPARATIVA DOS RESULTADOS OBTIDOS PARA OS
ELEMENTOS SENSORES CERÂMICOS E O SENSOR COMERCIAL (TDR)
De acordo com alguns autores [153-155], é importante analisar a tendência ao
comportamento linear das curvas de capacitância em função do conteúdo de umidade no
ambiente de medição.
144
Neste trabalho, utilizaram-se valores de coeficiente de correlação linear considerando os
resultados de capacitância obtidos para os elementos sensores cerâmicos utilizados. Na Tabela
4.9 são mostrados os valores de coeficiente de correlação linear, tanto para os elementos
sensores cerâmicos de ZrO
2
-TiO
2
, sinterizados em 1000, 1100 e 1200
o
C, como também para o
sensor comercial, foram obtidos, em diferentes condições ambientais (normal e controlada). Em
destaque são mostrados os melhores valores de ajuste para cada condição ambiental e tipo de
solo.
TABELA 4.9 - Valores de coeficiente de correlação linear obtidos para os elementos sensores
cerâmicos desenvolvido neste trabalho e o sensor comercial.
COEFICIENTES DE CORRELAÇÃO LINEAR
Elementos sensores cerâmicos
1000
o
C 1100
o
C 1200
o
C
Sensor comercial
(TDR)
Solo A
0,90635 0,91311
0,96854
0,91279
Condições
Ambientes Normais
T: 25
o
C e
U.R.: 74 %
Solo B
0,93541
0,88866 0,92152 0,90069
Solo A
0,93524 0,90227
0,96589
0,88079
Condições
Ambientais Controladas
T: 12,59
o
C e
U.R.: 78,72 %
Solo B
0,96515
0,9352 0,94724 0,70856
Na Tabela 4.9, observa-se que o maior valor de coeficiente de correlação linear para
quantificar a umidade na amostra de solo A, tanto em condições ambientais normais, como em
condições ambientais controladas, é observado para o elemento sensor cerâmico sinterizado em
1200
o
C, cujos coeficientes lineares são: 0,96854 e 0,96589 para as condições ambientais
normais e controladas, respectivamente. Este ajuste linear máximo (alcançado pelo elemento
sensor cerâmico sinterizado em 1200
o
C, em relação aos outros elementos sensores) indica uma
maior aproximação da relação entrada-saída (teor de água - medições de capacitância) quando
comparado a uma curva ideal [154,155,157]. De acordo com a Figura 4.17, esta cerâmica
apresenta uma distribuição de tamanhos de poros estreita com um maior tamanho de poros.
145
Para as medições realizadas no solo B, tanto em condições normais, como em condições
controladas, os valores maiores de coeficiente de correlação linear são alcançados pelo elemento
sensor cerâmico sinterizado na temperatura de 1000
o
C. O solo B apresenta uma quantidade
muito pequena de argila. Por outro lado, a cerâmica sinterizada possui uma distribuição larga de
tamanho de poros (de 60 nm a 2,0 µm), incluindo poros com tamanhos muito pequenos (com
tamanhos na escala nanométrica).
Os resultados apresentados nos itens 4.5 a 4.7 indicam a necessidade de um estudo
sistemático da influência da distribuição de tamanhos de poros nos comportamentos das curvas
de capacitância × conteúdo de água em vários tipos de solos (com composições diferentes).
Os valores dos coeficientes de correlação linear dos sensores comerciais ficaram abaixo
da média, apresentando um maior ajuste para o monitoramento da umidade das amostras de solo
A, em condições ambientais normais (0,91279). Este resultado se deve, provavelmente, a
incapacidade do sensor comercial em quantificar os conteúdos de água em solos arenosos, onde a
água infiltra com maior facilidade, não ficando, portanto, aprisionada nestes poros da amostra de
solo. Vale ressaltar que na mesma situação que o sensor comercial apresentou um ajuste menor
(0,70856), o elemento sensor sinterizado em 1000
o
C apresentou máxima aproximação entrada-
saída em relação a uma curva ideal, tornando-se, deste modo, apropriado para tal monitoramento.
146
147
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES
As cerâmicas porosas de ZrO
2
-TiO
2,
na proporção de 1:1 (em peso), obtidas neste
trabalho, com distribuição de tamanhos de poros diferentes, mostraram a capacidade de
serem utilizadas como sensores para o monitoramento de teores de água nas amostras de
solos, em estudo.
A cerâmica porosa de ZrO
2
-TiO
2,
sinterizada em 1200
o
C, mostrou uma distribuição de
tamanhos de poros mais estreita, com maior volume de poros situado na faixa de 0,4 a 0,7
µm de raios de poros (na escala submicrométrica). A cerâmica sinterizada em 1000
o
C
mostrou possuir a distribuição de tamanhos de poros mais larga, sendo que o maior
volume de poros situado na faixa raios de poros de 0,4 a 1,6 µm de (na escala submicro e
micrométrica).
O elemento sensor de cerâmica porosa de ZrO
2
-TiO
2,
sinterizado em 1200
o
C, apresentou
os maiores valores de coeficiente de correlação linear para as medições de capacitância
realizadas no solo A (rico em fração argilosa), em ambas as condições climáticas. Para o
solo B (rico em fração arenosa), o elemento sensor sinterizado em 1000
o
C apresentou os
maiores coeficientes de correlação linear, em ambas as condições climáticas. Este
resultado indica que existe uma relação entre a capacidade de adsorção de umidade pelos
poros da cerâmica e o tipo de água retida no solo (livre ou fisicamente adsorvida).
A calibração dos elementos sensores cerâmicos porosos para cada tipo de solo mostrou
ser necessária, pois para a amostra de solo A, o elemento sensor sinterizado em 1200
o
C
respondeu de forma mais linear e, para a amostra de solo B, o elemento sensor
sinterizado em 1000
o
C apresentou maior linearidade. Portanto, é recomendável a
utilização de elementos sensores cerâmicos porosos específicos para cada tipo de solo.
Não há necessidade de calibração quanto às condições climáticas, pois o mesmo elemento
sensor que apresentou os resultados mais lineares em atmosfera ambiente, também os
apresentou sob condições climáticas controladas.
148
Os elementos sensores, confeccionados a partir de cerâmicas porosas de ZrO
2
-TiO
2
,
sinterizadas nas temperaturas de 1000, 1100 e 1200
o
C, apresentaram melhores valores de
adsorção da umidade das amostras de solos utilizadas neste trabalho, quando comparado
com aqueles obtidos com o uso do sensor comercial (TDR).
Os resultados obtidos neste trabalho indicaram que o processamento cerâmico tradicional
(ou convencional), empregado para a confecção das cerâmicas porosas sensoras de
umidade de solo, mostrou ser prático e eficaz para esta aplicação. Este processamento
apresenta potencial para a produção em larga escala, desde que se determine e controle os
parâmetros do processamento, incluindo a distribuição de tamanhos de partículas dos pós
precursores.
149
CAPÍTULO 6
SUGESTÕES PARA INVESTIGAÇÕES FUTURAS
Investigar o comportamento dos elementos sensores cerâmicos de ZrO
2
-TiO
2
,
desenvolvidos neste trabalho em outros ambientes, ou seja, em amostras de solos com
granulometrias e composições químicas diferentes e sob condições climáticas
características da região de coleta das amostras.
Confeccionar cerâmicas porosas de ZrO
2
-TiO
2
com aditivos/dopantes a fim de aumentar a
quantidade dos sítios ativos das superfícies sensoras dos elementos cerâmicos.
Estudar a capacidade de retenção de contaminantes químicos (orgânicos e inorgânicos)
nos poros dos elementos sensores cerâmicos, utilizando técnicas de análises químicas
volumétricas.
150
151
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163
APÊNDICE A -
DADOS CLIMÁTICOS
Os dados climáticos de temperatura (T) e de umidade relativa do ar (UR), referentes ao
mês de setembro de 2006, do município de Campos do Jordão, SP, (microrregião da Serra da
Mantiqueira), foram detalhados neste Apêndice. Estes dados foram adquiridos junto ao banco de
dados Meteorológicos, Hidrológicos e Ambientais do Centro de Previsão de Tempo e Estudos
Climáticos - CPTEC, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE.
Na Tabela A.1, as médias das variações de T e de UR, ao longo do mês de setembro de
2006, foram calculadas a partir do dia 29 de agosto de 2006, às 15 horas, até o dia 01 de outubro
de 2006, às 12 horas.
TABELA A.1 - Médias dos dados climáticos de temperatura (T) e de umidade relativa do ar
(UR), referentes aos itens (a) Temperatura e (b) Umidade Relativa do Ar.
29/08
(15h)
a
01/09
(12h)
01/09
(12h)
a
04/09
(12h)
04/09
(12h)
a
07/09
(12h)
07/09
(12h)
a
10/09
(12h)
10/09
(12h)
a
13/09
(12h)
13/09
(12h)
a
16/09
(12h)
16/09
(12h)
a
19/09
(12h)
19/09
(12h)
a
22/09
(12h)
22/09
(12h)
a
25/09
(12h)
25/09
(12h)
a
28/09
(12h)
28/09
(12h)
a
01/10
(12h)
M
É
D
I
A
T
(
o
C)
10,49
13,22
7,19 10,49
14,77
14,99
14,20
13,85
12,96
12,12
14,30
12,59
UR
(%)
73,76
80,24
77,88
78,6 68,32
80,44
80,88
80,95
81,04
80,96
82,84
78,72
Abaixo, seguem os itens (a) temperatura do ar e (b) umidade Relativa do ar detalhados.
(a) TEMPERATURA DO AR
Nas Figuras A.1 até a A.11, as medições de temperatura do ar, referentes ao mês de
setembro de 2006, realizadas a cada 3 horas, foram mostradas detalhadamente.
164
FIGURA A.1 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 29/08, às 15h, ao dia
01/09, às 12h.
FIGURA A.2 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 01/09 às 12h ao dia 04/09
às 12h.
165
FIGURA A.3 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 04/09 às 12h ao dia 07/09
às 12h.
FIGURA A.4 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 07/09 às 12h ao dia 10/09
às 12h.
166
FIGURA A.5 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 10/09 às 12h ao dia 13/09
às 12h.
FIGURA A.6 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 13/09 às 12h ao dia 16/09
às 12h.
167
FIGURA A.7 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 16/09 às 12h ao dia 19/09
às 12h.
FIGURA A.8 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 19/09 às 12h ao dia 22/09
às 12h.
168
FIGURA A.9 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 22/09 às 12h ao dia 25/09
às 12h.
FIGURA A.10 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 25/09 às 12h ao dia
28/09 às 12h.
169
FIGURA A.11 - Gráfico que indica as variações de temperaturas do dia 28/09 às 12h ao dia
01/10 às 12h.
(b) UMIDADE RELATIVA DO AR
Nas Figuras A.12 até a A.22, as medições de umidade relativa do ar, referentes ao mês de
setembro de 2006, realizadas a cada 3 horas, foram mostradas detalhadamente.
FIGURA A.12 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 29/08 às 15h
ao dia 01/09 às 12h.
170
FIGURA A.13 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 01/09 às 12h
ao dia 04/09 às 12h.
FIGURA A.14 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 04/09 às 12h
ao dia 07/09 às 12h.
171
FIGURA A.15 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 07/09 às 12h
ao dia 10/09 às 12h.
FIGURA A.16 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 10/09 às 12h
ao dia 13/09 às 12h.
172
FIGURA A.17 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 13/09 às 12h
ao dia 16/09 às 12h.
FIGURA A.18 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 16/09 às 12h
ao dia 19/09 às 12h.
173
FIGURA A.19 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 19/09 às 12h
ao dia 22/09 às 12h.
FIGURA A.20 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 22/09 às 12h
ao dia 25/09 às 12h.
174
FIGURA A.21 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 25/09 às 12h
ao dia 28/09 às 12h.
FIGURA A.22 - Gráfico que indica as variações de umidade relativa do ar do dia 28/09 às 12h
ao dia 01/10 às 12h.
175
ANEXO A -
PUBLICAÇÕES ORIGINADAS DESTE TRABALHO
ARTIGOS PUBLICADOS EM PERIÓDICOS:
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; BRITTO FILHO, G. P. Influence of Nb
2
O
5
on the
electrical properties of porous ZrO
2
-TiO
2
ceramic used as soil humidity sensor for environmental
monitoring. Materials Science Forum, v. 591, n. 3, p. 402 - 407, 2008.
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; KURANAGA, C.; WADA, M. Development of ZrO
2
-
TiO
2
porous ceramic as soil humidity sensor for application in environmental monitoring.
Materials Science Forum, v. 530, p. 414 - 420, 2006.
ARTIGOS ACEITOS PARA PUBLICAÇÃO:
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; MINEIRO, S. L. Application of porous ceramic as soil
moisture sensor in controlled environment. Materials Science Forum, 2010.
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; BRITTO FILHO, G. P. Investigation of Nb
2
O
5
-doped
porous ZrO
2
-TiO
2
ceramic as soil moisture sensor. Materials Science Forum, 2010.
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; MINEIRO, S. L.; BRITTO FILHO, G. P. Moisture
sensing properties of the porous ZrO
2
-TiO
2
ceramic with Nb
2
O
5
dopant. Materials Research,
2010.
TRABALHOS COMPLETOS PUBLICADOS EM ANAIS DE EVENTOS CIENTÍFICOS:
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; BRITTO FILHO, G. P. Aplicação de cerâmicas de ZrO
2
-
TiO
2
como elementos sensores para monitorar o conteúdo de água no solo em áreas com risco de
deslizamento de encostas In: 5
a
Conferência Brasileira de Estabilidade de Encostas (COBRAE),
2009, São Paulo, SP. Anais...São Paulo: Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e
Engenharia Geotécnica (ABMS), 2009. CD-ROM.
176
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; BRITTO FILHO, G. P. Desenvolvimento de sensores
cerâmicos porosos do conteúdo de água no solo para o monitoramento da erosividade. In: 8
o
Simpósio Nacional de Controle de Erosão (SNCE), 2009, São Paulo, SP. Anais...São Paulo:
Associação Brasileira de Geologia de Engenharia e Ambiental (ABGE), 2009. CD-ROM.
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; MINEIRO, S. L.; BRITTO FILHO, G. P. Aplicação de
cerâmicas porosas de TiO
2
- ZrO
2
dopadas com Nb
2
O
5
como sensores de umidade de solo para
monitorar áreas de risco. In: 52
o
Congresso Brasileiro de Cerâmica, 2008, Florianópolis, SC.
Anais... São Paulo: Associação Brasileira de Cerâmicas (ABC), 2008. CD-ROM.
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; MINEIRO, S. L.; BRITTO FILHO, G. P. Propriedades
sensoras de umidade das cerâmicas porosas de ZrO
2
-TiO
2
dopadas com Nb
2
O
5
. In: 18
o
Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materias (CBECiMat), 2008, Porto de
Galinhas, PE. Anais...São Paulo: Associação Brasileira de Cerâmicas (ABC), 2008. CD-ROM.
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; BRITTO FILHO, G. P. Desenvolvimento de cerâmicas de
ZrO
2
-TiO
2
dopadas com Nb
2
O
5
como sensor de umidade de solo para aplicação no
monitoramento de áreas com risco de deslizamento de encostas In: 2
o
Simpósio Brasileiro de
Desastres Naturais e Tecnológicos (2
o
SIBRADEN), 2007, Santos, SP. Anais...São Paulo:
Associação Brasileira de Geologia de Engenharia e Ambiental (ABGE), 2007. CD-ROM.
OLIVEIRA, R. M.; NONO, M. C. A.; WADA, M. Development of Porous ZrO
2
-TiO
2
Ceramic
as Soil Humidity Sensor for Identification of Risk-Areas In: 5th International Symposium on
Humidity and Moisture (ISHM). Rio de Janeiro, RJ. Proceeding…Rio de Janeiro: Instituto
Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO), 2006. CD-ROM.
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