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1)Retenção de água no solo 2) Análise granulométrica de solos CEN5755 - Técnicas avançadas em física de solos Osny Bacchi CENA/USP 2008 AULA 3 Métodos.

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1 1)Retenção de água no solo 2) Análise granulométrica de solos CEN5755 - Técnicas avançadas em física de solos Osny Bacchi CENA/USP 2008 AULA 3 Métodos Convencionais e por Atenuação de Raios Gama

2 Bacchi, O.O.S.; Reichardt, K.; Oliveira, J.C.M, Nielsen, D.R.; Gamma ray beam attenuation as an auxiliary technique for evaluation of the soil water retention curve. Scientia Agricola, Piracicaba, 55(3): 498-502, set/dez. 1998 Baver,L.D.; Gardner,W.H. & Gardner, W.R. 1972. Soil Physics. John Wiley & Sons, Inc., New York. 498p. Buckman, H.O. & Brady, N.N. 1968. Natureza e Propriedades dos Solos. Livraria Freitas Bastos, Rio de Janeiro, 594p. Klute, A. 1986. Methods of Soil Analysis, Part 1: Physical and Mineralogical Methods,2nd Edition. American Society of Agronomy, Inc.& Soil Science Society of America, Inc., Madison Wisconsin.USA. Agronomy Series, Number 9, 1188p. Libardi, P.L. 1995. Dinâmica da água no solo. Piracicaba, SP., ESALQ/USP, Depto. Física e Meteorologia, 1 a Ed.,497p. Reichardt, K. 1990. A água em sistemas agrícolas. Piracicaba, SP. Editora Manole Ltda., 188p. Reichardt, K.1996. Dinâmica da matéria e da energia em ecossistemas. Piracicaba, SP., ESALQ/USP., Depto. Física e Meteorologia, 505p. Van Genuchten, M. Th. 1980. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. J. Madison, 44:892-898. Bibliografia recomendada:

3 Fenômenos capilaresAdsorção (Forças atrativas entre cargas da superfície das partículas e a molécula dipolar da água) Forças mátricas de retenção Processos de retenção da água no solo:

4 Ângulo de contato líquido/sólido gás líquido sólido F (força resultante da atração coesiva do líquido) F1F1 F1F1 G Força de atração adesiva (sólido-líquido) acima da superfície Força de atração adesiva (sólido-líquido) abaixo da superfície R G P P G F R líquido gás (ar) sólido 90 o Equilíbrio = R paralelo à parede Quando F = 2 F 1 1)

5 gás líquido F R G Menisco côncavo P 90 o Equilíbrio = R não paralelo à parede líquido molha a parede Quando F < 2 F 1 2) 90 o Equilíbrio = R não paralelo à parede líquido não molha a parede Quando F >2 F 1 3) gás líquido F G Menisco convexo R

6 Água sobre vidro Mercúrio sobre vidro Forças mátricas de retenção / potencial mátrico da água no solo Água livre (estado padrão) Água retida por forças mátricas Diminuem a energia potencial da água

7 Tensão superficial da água Forças contráteis dF=s.dL dL Fr L=2..r dF= dL Fr R

8 R R r L p p = pressão interna sob a superfície côncava = tensão Capilaridade (força contrátil) Em um tubo de dimensões capilares

9 h p P = P atm

10 Curva de retenção da água no solo Avalia a relação entre conteúdo de água no solo e a energia com que a água está retida na matriz do solo por forças de adsorção e capilares A relação é característica para cada solo = depende da estrutura (distribuição de tamanho de poros) e da textura (superfícies para adsorção da água) curva característica de retenção Predomínio de forças capilares Predomínio de forças de adsorção 0 Aplicações práticas: avaliação da umidade através de tensiômetros m ) avaliação do potencial mátrico através da umidade m ( avaliação da distribuição de tamanho de poros no solo estimativa do volume de macro e microporos (estudos de efeitos da compactação)

11 Métodos convencionais de avaliação das curvas de retenção (sistemas extratores da água retida) 1) Câmara de Richards (pressão sobre a amostra) 2) Funil de placa porosa e mesa de tensão (sucção sob a amostra)

12 Princípio dos sistemas extratores Equilíbrio entre a pressão (ou sucção) aplicada sobre a amostra e o potencial mátrico da água no solo P Placa porosa (extensão do solo para condução da água) poros (r) P atm P1P1 P2P2 p1p1 p2p2 p O menisco se rompe quando: Pressão de borbulhamento da placa ou valor de entrada de ar

13 Procedimento convencional de uso dos sistemas extratores (Câmara de Richards e Funil): 1) Saturação da amostra e da placa porosa 2) Colocação da amostra sobre a placa porosa 3) Aplicação da pressão ou sucção desejada 4) Aguardar o equilíbrio (toda água retida no solo com potencial mátrico inferior à pressão ou sucção aplicada for extraída) 5) Retirada da amostra do sistema para pesagem (massa de solo úmido) 6) Repetição dos passos de 1 a 5 para as demais pressões desejadas Principais problemas práticos: 1) Morosidade do processo 2) Dificuldade de detecção dos pontos de equilíbrio 3) Perturbação da estrutura da amostra pelo freqüente manuseio 4) Variação na densidade do solo com a variação da umidade (solos expansivos) 5) Impossibilidade de automação

14 Modelagem das curvas de retenção VAN GENUCHTEN (1980) 0

15 Exemplo de curva de retenção e algumas aplicações 1) Volume de macro e micro poros do solo: a) Ráio limite entre macro e micro poros: r = 0,0025cm b) Potencial mátrico limite c) Volume de água retido no potencial limite (V micro ): c) Volume de macro poros:

16 Água disponível no solo a) Umidade na capacidade de campo: após a drenagem da água nos macro poros b) Umidade no PMP: (no limite de potencial de extração de água pela planta) m = 1500kPa = 15.000cm H 2 O c) Umidade disponível:

17 Tensiometria h PAPA Nível do solo B No equilíbrio:

18 Tensiômetro com manômetro de mercúrio h hchc z P = -13,6.h h B água mercúrio

19 Exemplo de utilização do tensiômetro A h 1 =20cm hc=20cm Z 1 =60cm h 2 =40cm hc=20cm Z 2 =30cm B 1) Tomando-se a superfície do solo como referência para o potencial gravitacional, quais os valores da energia potencial total da água no solo nos pontos A e B ? qual seria o sentido do movimento da água ? 2) Se o perfil do solo estivesse saturado, quais seriam os valores de h 1 e h 2 de mercúrio e os potencias da água nos pontos A e B? qual seria o sentido do movimento da água? 1) 2) Movimento de A para B Movimento de B para A

20 Sistema extrator associado a um feixe de raios gama pressão dreno Cristal cintilador NaI(Tl) e válvula fotomultiplicadora Janela de acrílico Feixe colimado de raios gama Placa porosa amostra Castelo de chumboBolsa de borracha preamplificador Sistema eletrônico de contagem e computador 1) Avaliação simultânea da densidade e da umidade da amostra I oo x IoIo I IoIo Lei de Lambert-Beer

21 Desprezando-se a atenuação pelo ar do solo, para um solo úmido tem-se: Como os coeficientes de atenuação ( dependem da energia da radiação incidente, utilizando-se duas fontes radioativas, 241 Am e 137 Cs, por exemplo, tem-se: Para solo seco: Determinação da densidade d s Conhecidos d s, p, w e X : Determinação de

22 Resolvendo o sistema para d s e tem-se: Determinação simultânea da umidade e densidade do solo Vantagem em relação ao procedimento convencional para solos expansivos

23 Uso de feixe monoenergético para solos não expansivos x IoIo IsIs Amostra solo saturado x IoIo I Amostra não saturada (3) (2) x IoIo IwIw Considerando w =1

24 2) Análise Granulométrica de Solos:

25 Klute, A. 1986. Methods of Soil Analysis, Part 1: Physical and Mineralogical Methods,2nd Edition. American Society of Agronomy, Inc.& Soil Science Society of America, Inc., Madison Wisconsin.USA. Agronomy Series, Number 9, 1188p. Baver,L.D.; Gardner,W.H. & Gardner, W.R. 1972. Soil Physics. John Wiley & Sons, Inc., New York. 498p. Buckman, H.O. & Brady, N.N. 1968. Natureza e Propriedades dos Solos. Livraria Freitas Bastos, Rio de Janeiro, 594p. Libardi, P.L. 1995. Dinâmica da água no solo. Piracicaba, SP., ESALQ/USP, Depto. Física e Meteorologia, 1 a Ed.,497p. Reichardt, K. 1990. A água em sistemas agrícolas. Piracicaba, SP. Editora Manole Ltda., 188p. Reichardt, K.1996. Dinâmica da matéria e da energia em ecossistemas. Piracicaba, SP., ESALQ/USP., Depto. Física e Meteorologia, 505p. Literatura Recomendada: Vaz, C.M.P., J.C.M.Oliveira, K. Reichardt, S. Crestana., P.E. Cruvinel, O.O.S. Bacchi. 1992. Soil mechanical analysis through gamma ray attenuation. Soil Technology. (Cremlingen). 5:319-325. Vaz, C.M.P., Naime, J.M., Macedo,A., 1999. Soil particle size fractions determined by gamma ray attenuation. Soil Science. 164(5):403-410.

26 Análise Granulométrica de Solos Composição granulométrica (textura): Proporção relativa dos diferentes grupos de partículas classificados por tamanho - cada classe de tamanho(areia, limo e argila) pode conter partículas de mesma classe mineral. Diferentes escalas e classes de tamanho de partículas: (critérios arbitrários) Escala mais aceita: USDA Esqueleto do solo AMGAGAMAFAMF LimoArgila 2 10,50, 250,10 0,05 0,002 (mm) Areia

27 Algumas relações dimensionais entre partículas Areia = 2 mm A=4 R 2 =0,126 cm 2 V=4/3 R 3 =0,00419 cm 3 m=0,00419.2,65=0,0111 g Argila = 0,002 mm (argila) A=4 R 2 =1,26.10 -7 cm 2 V=4/3 R 3 =4,19.10- 12 cm 3 m=4,19.10 -12.2,65=1,11.10 -11 g

28 Relação entre diâmetros Relação entre superfícies externas Relação entre volumes Relação entre superfícies específicas (A/M)

29 A importância da textura do ponto de vista físico (determina, praticamente, todas as demais propriedades) é fator determinante das propriedades de retenção e capacidade de armazenamento de água e nutrientes é fator determinante na distribuição de poros e, consequentemente, das propriedades de condução de água e gases e suas trocas com a atmosfera e plantas é fator determinante da estrutura do solo (diferenças nas interações elétricas) é fator determinante das propriedades de resistência à penetração de raízes e à implementos de movimentação mecânica do solo é fator determinante de propriedades térmicas do solo, tais como capacidade calorífica, condutividade térmica

30 0 100 Argila 0 100 Limo 0 100 Areia Argila Franco arenoso Franco limoso Franco argiloso Silte Areia 10 40 50 (1) (2) (3) Franco-argilo-arenoso Diagrama de classificação textural de solos (USDA)

31 Diagrama de classificação textural de solos (USDA) 0 100 Argila Areia Limo Argila limosa Franco argilo limoso Franco argiloso Argila arenosa Franco argilo arenoso Franco limoso Franco arenoso Areia barrenta 100 Areia Argila

32 Métodos Clássicos de Análise por Sedimentação: 1) Preparo da amostra: separação do esqueleto do solo (fração maior que 2mm) peneiramento TFSA Preparo da amostra de TFSA para dispersão: a) Método da pipeta: (20g solo+250ml água+10ml NaOH(1N) b) Método do densímetro: (50g solo+100ml água+25ml NaOH(1N) (agitar e deixar em repouso por uma noite ) Dispersão em agitador: 5 a 15 minutos (solos arenosos à argilosos) Separação da areia (>0,053mm): peneiramento, lavagem, secagem e pesagem Transferência da mistura limo+argila (<0,053mm) para cilindro de sedimentação e completar o volume à 1000ml

33 Métodos Clássicos de Análise por Sedimentação: 2) Lei de Stokes (1851) P E R A) Hidrostática: R = P - E B) Equilíbrio de forças no processo de sedimentação: F a = R na velocidade terminal de queda V mru FaFa R

34 C) Separação das frações limo e argila pelo tempo de sedimentação h h Método da pipeta C=m/v aliquota Secagem Pesagem

35 Método do densímetro 0 g/l 50 g/l Método do cilindro de Koettgen h 1 e t 1 (argila+limo) h 2 e t 2 (limo) Principais limitações a) perturbação do processo de sedimentação pelos sistemas de tomada de alíquotas e introdução do densímetro; b) longo tempo para obtenção de suficiente h para introdução do densímetro ou tomada de alíquota,c) avaliações por grupos de partículas - descontínua h argila limo h1h1 h2h2 argila limo

36 Método de análise com uso da atenuação de feixe de raios gama X IoIo IrIr Solução dispersante argila limo X IoIo I X A IoIo I (1) (2) Substituindo (1) em (2) (*teoria da atenuação)

37 Concentração (C) de partículas de diâmetro ( ) na suspensão, na profundidade (h) após o tempo de sedimentação (t), onde: Dificuldades: necessidade de conhecimento preciso de X e p Vantagens: a) não perturbação do processo de sedimentação; b) avaliação contínua da distribuição de partículas por tamanho que pode ser agrupada em diferentes classes.

38 Exemplo a) Concentração inicial de partículas (argila+limo) na suspensão C 0 = 50g/l b) viscosidade da solução dispersante de NaOH a 25 0 C: 0,0093 gcm -1 s -1 c) densidade de partículas: =2,65 g.cm -3 d) densidade da solução dispersante: l =0,997 g.cm -3 e) diâmetro das partículas de limo: >0,002mm (>0,0002cm) f) profundidade de amostragem desejada: h=3cm g) aceleração da gravidade: g = 980 cm.s -2 h) coeficiente de absorção de massa das partículas: p =0,34 cm 2 g -1 1) Dados 2) Tempo necessário para sedimentação do limo abaixo de h=3cm 3) Avaliação da concentração de argila com feixe gama: Solução dispersante I 0 =100.000 cpm I r =99.000 cpm I0I0 IrIr X=5cm

39 I0I0 I I 0 =100.000 cpm I= 95.000 cpm Porcentagem de argila na mistura limo+argila 100g solo peneiramento 20 g (areia) =20% 80 g (argila+limo) 48,6% argila = 38,9g 51,4%limo = 41,1g 100g solo peneiramento 20 g (areia) =20% 38,9 % argila 41,1 % limo

40 Outro procedimento analítico I0I0 I co X Suspensão argila+limo I0I0 IrIr X Solução dispersante

41 I0I0 IAIA X=5cm Suspensão após sedimentação do limo Vantagem: não necessita determinação prévia de X p

42 Exemplo: I0I0 IrIr Solução dispersante I0I0 I co Suspensão argila+limo I0I0 IAIA Suspensão após sedimentação do limo Concentração inicial C 0 de partículas (argila+limo) na suspensão= concentração de solo na solução dispersante (50g/l) menos o teor de areia separada por peneiramento I r =99.000 cpm I 0 =100.000 cpm I Co =90.950 cpm I A =95.000 cpm

43 AULA PRÁTICA 3 1) Determinar as percentagens de areia, silte e argila de um solo com base nos seguintes dados: a) Concentração inicial de partículas (argila+limo) na suspensão C 0 = 30g/l b) viscosidade da solução dispersante deNaOH a 25 0 C: 0,0093gcm s c) densidade de partículas: =2,65 g.cm -3 d) densidade da solução dispersante: l =0,997 g.cm -3 e) diâmetro das partículas de limo: >0,002mm (>0,0002cm) f) profundidade de amostragem desejada: h=3cm g) aceleração da gravidade: g = 980 cm.s -2 h) coeficiente de absorção de massa das partículas: p =0,34 cm 2 g i) Intensidades do feixe gama com a solução de hidróxido: I 0 = 125.500 cpm I r =124.245 cpm j) Intensidades do feixe gama na suspensão de solo após a sedimentação do silte: Depois de quanto tempo após a agitação inicial da suspensão de solo a suspensão apresentará apenas argila em suspensão nos primeiros 3cm superficiais do cilindro de sedimentação? I r =124245 cpm (= intensidade do feixe após passar pela solução dispersante de hidróxido de Na) I =119225 cpm (=Intensidades do feixe gama na suspensão de solo após a sedimentação do silte)

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