Comportamento expansivo - Ocorrências e Motivos

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Comportamento Expansivo – Ocorrências e Motivos
Autoria: David Salomão Bizarro
O comportamento expansivo de um solo pode dever-se a processos de natureza
mecânica ou físico-química.
A expansão mecânica é ocasionada por acção de forças de descompressão elásticas
que variam com o tempo mas cuja duração não permite (normalmente) dissipação dos
excessos de pressão (solo solicitado em condições não drenadas), as suas causas
podem ser associadas com escavações de natureza humana, movimentos tectónicos,
erosão, entre outras. A relaxação da tensão média (concomitante com aumentos da
tensão de corte) provocará nos poros do sedimento argiloso uma pressão intersticial
negativa (sucção) em que o valor a adoptar depende do grau de saturação, do grau de
consolidação da argila e do campo de tensões (proximidade da rotura). De seguida,
ocorrerá uma dissipação desses excessos de pressão neutra (pelo facto da pressão de
água nos poros ser menor do que em regiões mais afastadas) envolvendo um
escoamento dirigido para essa zona (posteriormente, sofrerá um aumento de teor em
água, logo, um aumento de volume) e o tempo envolvido neste processo de
consolidação (restabelecimento do equilíbrio) dependerá da permeabilidade do
material.
A expansão físico-química ocorre quando as forças repulsivas entre as partículas dos
minerais argilosos (as partículas de argila dispersas na água possuem cargas eléctricas1)
sobrelevam as forças atractivas (forças de Van der Waals-London, ligações de
hidrogénio, outras forças electrostáticas e tensão superficial). A actividade química2
das argilas manifesta-se precisamente através destas forças de superfície (forças
atractivas e repulsivas) que, em muitos casos, ultrapassam em importância as forças
gravíticas. As partículas são rodeadas por duplas camadas eléctricas3 cujas
características dependem da carga eléctrica global das partículas e dos catiões de troca
1 Pelas características geométricas das partículas de argila (forma laminar) resulta que grande parte das
moléculas que constituem essas partículas se encontram junto da respectiva superfície em contacto
com o exterior. Por seu turno, a natureza e o arranjo dos átomos nessas moléculas, por meio de
valências químicas não saturadas, conferem às partículas cargas eléctricas negativas nas faces e cargas
eléctricas positivas nos bordos, com predominância de cargas negativas (Matos Fernandes, 2011).
2 Nas partículas com comportamento coloidal quanto maior for a superfície específica das partículas,
maior será a importância das forças de superfície em relação ao peso próprio e maior será a actividade
química. Nas partículas grossas, as forças de superfícies são desprezáveis, sendo as forças interpartículas
quase inteiramente associadas à gravidade.
3 Este conceito (dupla camada eléctrica) consiste numa carga eléctrica da partícula e numa carga iónica
equivalente de sinal contrário acumulada na fase líquida junto da superfície (camada de catiões ligada
rigidamente à partícula) e na periferia (camada difusa de catiões) da partícula (próximo da superfície
haverá maior concentração de catiões a qual irá diminuindo progressivamente à medida que a distância
à superfície aumenta, atingindo-se um ponto onde na solução existem catiões e aniões em número
equivalente). Na figura 1.8 está representado um esquema da dupla camada eléctrica numa partícula de
argila (Elda de Castro, 2004).
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que estão em solução na água livre dos poros. A concentração do electrólito
desfloculante (a adição aumenta a repulsão entre as partículas e diminui a viscosidade
de suspensão, contudo, este efeito inverte-se quando ultrapassado o teor óptimo de
desfloculante), a valência dos catiões (numa permuta iónica há preferência de
absorção do ião que tiver maior valência e menor hidratação) e a temperatura (as
partículas argilosas exibem movimentos causados pelo facto das moléculas da água
apresentaremmovimentos térmicos) desempenham papéis importantes na
expansibilidade físico-química. Na prática, os catiões monovalentes (como por
exemplo: Na+ ou K+) e em fraca concentração proporcionam duplas camadas difusas
mais amplas e, consequentemente, maiores pressões expansivas.
Segundo Horta da Silva (2010), as argilas expansivas têm frequentemente na sua
composição, minerais de com expansão intra-cristalina, designadamente do grupo da
montmorilonite, acompanhados de ilite e caulinite e, menos usual, de vermiculite,
clorite, interestratificados, quartzo, calcite e feldspatos. Refere ainda o autor que, nos
depósitos sedimentares associados a condições de salinidade (origem lacustre), as
argilas expansivas podem ainda conter paligorskite e minerais salinos, nomeadamente
gesso que, ao libertar o sulfatião provoca reacções que, conduzem ao aparecimento
de alunite quando predomina o alumínio, e de jarosite quando predomina o ferro. A
ocorrência de anidrite é ainda um importante pormenor a assinalar, face à expansão
que a sua transformação em gesso provoca.
Considera-se ainda relevante referir um estudo realizado por Horta da Silva (1974)
sobre um solo areno-siltoso expansivo, não sendo que esta propriedade expansiva
possível de deduzir-se apenas devido à presença da fracção argilosa pelo facto desta
ser muito pequena, (isto é, só por si, não se justificava o comportamento expansivo),
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mas sim por uma contribuição de todos os minerais que se comportam como argila
(exibem propriedades expansivas intracristalinas e intercristalinas) presentes na
fracção argilosa (predominância de caulinite e montmorilonite acompanhadas de
hidrobiotite, vermiculite e interestratificados irregulares de camadas
montmoriloníticas, vermiculíticas e ilíticas), siltosa (predominância de hidrobiotite,
vermiculite e montmorilonite) e arenosa (predominância de quartzo e feldspato e
pequena quantidades de biotite, hidrobiotite e vermiculite, aos quais se associam
vestígios de caulinite e interestratificados irregulares biotite-vermiculite). Citando o
autor nesse trabalho: “Em termos de mecânica dos solos, e aceitando que as variações
volumétricas são essencialmente controladas pelas variações da tensão na água dos
poros do solo (tensão intersticial) e que esta tensão se pode decompor em três
componentes principais (componente de adsorção, osmótica e capilar), verifica-se o
seguinte: quer a componente de adsorção quer a componente osmótica assumirão
amplitudes de variação cada vez maiores na sequência hidrobiotite → vermiculite →
montmorilonite; portanto, não só a fracção argilosa mas também as fracções siltosa e
arenosa do solo contribuirão para as variações da tensão intersticial e
consequentemente para o comportamento expansivo".
Para identificar e classificar os solos potencialmente expansivos podemos utilizar
vários critérios, estes podem basear-se em indicadores qualitativos e quantitativos do
potencial de expansão (composição do solo, limites de consistência e teor de argila) ou
em medições directas da expansão (ensaio edométrico, ensaio de expansibilidade
LNEC, ensaio de CBR, etc.)
O primeiro passo para identificação de solos expansivos é a observação visual do local
porque, depois da dessecação, a aparência dos solos expansivos é distinta dos outros
tipos de solos. Há formação de fissuras ou fendas com forma poligonal devido ao
fenómeno de contracção que a superfície (do terreno) sofre quando há variação de
humidade, e quanto mais pequenos forem os poligonos maior é a quantidade de argila
presente. Portanto, a ocorrência desse fenómeno indica possivelmente a presença de
minerais argilosos expansivos.
Na Divisão de Estradas e Aeródromos (DEA), integrada no Serviço de Geotecnia do
Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), desenvolveu-se um ensaio de
expansibilidade (Especificação LNEC E200-1967) com o propósito de determinar as
variações de volume (expressas em percentagem) por absorção de água (capilaridade)
na fracção fina dum solo (fracção que passa no peneiro nº 40 ASTM) em condições
bem definidas de humidade, confinamento e compactação. Este trata-se apenas dum
ensaio expeditopara complementar os ensaios de identificação (limites de
consistência e análise granulométrica) quando estes se revelam insuficientes,
permitindo ter uma ideia do comportamento do solo em termos de expansibilidade
vertical.
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A decisão de realizar o ensaio de expansibilidade decorreu da sequência de resultados
obtidos nos ensaios de identificação do solo, pois estes manifestaram a necessidade de
conhecer a expansibilidade do solo, que se crê ser devido à presença de uma
percentagem de finos superior à grosseira, para o caso da amostra recolhida em Frielas.
Na Fotografia 1, é possível observar alguma fendilhação no solo num período pouco
depois da época pluviosa (pré-primaveril).
Fotografia 1 - Proveniente da zona industrial de Frielas, próxima de uma obra
suspendida (mês de Março).
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Os resultados obtidos nesse ensaio revelam que a amostra de solo exibe uma
percentagem de expansão (variação volumétrica) aproximadamente igual a 24%.
Dentre os factores que possam ter influenciado o fenómeno da expansão, ir-se-á
atender os seguintes:
a) Condições de compactação;
 O procedimento experimental4 referente à compactação está bem
definido na secção 4 – Técnica, da documentação normativa, e emprega
uma energia específica de compactação próxima de 290 N.cm/cm3. É
ainda de referir que, não estão indicados procedimentos que levem a
diferentes energias de compactação, e o mesmo se passa no contacto
com água, isto é, a porção de solo está apenas previamente seca em
estufa não estando prevista adição de água durante o procedimento de
compactação (ramo seco da curva de compactação).
 De acordo com Horta da Silva (1974), duma maneira geral, os solos
expandemmais quanto maior for a energia de compactação e quanto
menor for o teor de humidade. O primeiro factor influência na baridade
seca e na orientação preferencial dos minerais que se comportam como
argila. O segundo factor está relacionado com a deficiência de água nas
duplas camadas dos minerais e com o papel ocluso nos poros.
 Ainda seguindo Horta da Silva (1974) sabemos que, a compactação para
valores de teor de humidade abaixo do óptimo conduz a fábricas do tipo
floculado que se orientam á medida que o teor de humidade sobe
atingindo o máximo de orientação para teores de humidade acima do
óptimo. Em verdade, Horta da Silva (1974) recorre a outros autores,
para expor que a compactação, com teores de humidade abaixo do
óptimo, pode produzir fábricas duma maneira geral, desordenadas mas,
localmente, compostas de agregados altamente orientados.
 Em Horta da Silva (1974) é mencionado que a compactação de material
argiloso conduz a uma orientação preferencial dos filossilicatos
(nomeadamente, micas e minerais de argila), segundo os planos
estruturais, perpendicularmente à direcção de compactação. O mesmo
autor menciona ainda que, num solo com fábrica do tipo disperso o
4 Para o ensaio de expansão, num esquema sem detalhes acerca dos primeiros passos, coloca-se uma
porção de solo (seco em estufa à temperatura de 60 °C, e seguidamente, um arrefecimento num frasco
durante 16 h) com cerca de 100 g (material passado no peneiro nº40 convenientemente
homogeneizado), repartida em duas camadas, num molde metálico com volume 42,41 cm3 (peça
cilíndrica com diâmetro interno de 60 mm e altura de 15 mm). Após a colocação de cada camada dão-se
50 pancadas (distribuídas sobre a superfície do solo) com um pilão de compactação (o aparelho está
provido de uma mola que exerce uma força de 50 N quando comprimida num curso de
aproximadamente 25 mm).
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comportamento expansivo deve ser anisotrópico, atingindo valores
máximos quando medido perpendicularmente à orientação dos
minerais. Pelos factos anteriores provém que em solos micáceos (solo
com composição mineralógica rica em minerais micáceos, que podem
ser, por exemplo: ilite, sericite, clorite, vermiculite, esmectite ou micas
de maior dimensão como moscovite e biotite), um aumento da energia
de compactação induzirá progressivamente um comportamento cada
vez mais expansivo e anisotrópico, uma vez que as forças de repulsão
entre as partículas são maiores, quando estas estão orientadas face
com face, do que face com extremo.
b) Orientação espacial dos minerais, relativamente uns aos outros (fábrica);
 Como já foi descrito anteriormente, quanto mais energia for
despendida na compactação, maior será o adensamento e também a
orientação preferencial dos minerais que se comportam como argila
(ainda que para baixos teores em água a fábrica pareça desordenada,
localmente, existem agregados altamente orientados).
 Em Horta da Silva (1984) existem referências (diversos autores) alusivas
ao arranjo espacial dos minerais argilosos, mencionando que os
minerais argilosos com orientação paralela relativamente uns aos
outros (fabrica do tipo dispersa) são potencialmente mais expansivos do
que uma estrutura com os minerais argilosos orientados face com
extremo (fabrica do tipo floculado).
 Duma maneira geral, podem existir diferenças na percentagem de
expansibilidade, entre a situação in situ e os estudos levados em
laboratório, uma vez que, a orientação preferencial dos minerais
argilosos está dependente das diferentes histórias geológicas e
inerentes histórias de tensões e deformações.
c) Composição do solo;
 A composição granulométrica e mineralógica são factores importantes
para inferir acerca das propriedades geotécnicas do solo, e
relativamente à expansibilidade pode-se admitir que um solo será,
potencialmente, tanto mais expansivo quanto mais argiloso for (solos
argilosos são potencialmente mais expansivos do que os solos siltosos
ou arenosos), e quanto maior a quantidade de minerais de rede
cristalina expansiva (dentre os minerais argilosos, os esmectites são
aqueles que exibem normalmente maior potencial de expansão). No
entanto, há argilas com elevadas percentagens de montmorilonite que
não expandem e solos que, não tendo montmorilonóides, podem exibir
comportamento geotécnico expansivo.
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d) Natureza do líquido electrolítico;
 Como o líquido electrolítico utilizado foi a água corrente (grau de dureza
da água5 média dura), a qual não sofreu variações de temperatura e
pressão durante o decorrer do ensaio, pelo que, não existe qualquer
interesse em produzir mais comentários.
 Horta da Silva (1973) nos seus ensaios laboratoriais utilizou água
destilada, com a qual obteve maiores índices de actividade de
actividade química das argilas. Tal facto é devido à baixa quantidade de
sólidos dissolvidos, o que favorece à dissolução de mais substâncias
químicas.
 Acompanhando ainda o estudo de Horta da Silva (1973), foi utilizada
água tratada com hexametafosfato de sódio que levou também, em
geral, a elevados índices de actividade química das argilas. Apesar de
não existirem comentários por parte de Horta da Silva (1973) acerca de
algumas disparidades encontradas, julgasse que as fracas actividades de
argila encontradas estejam relacionadas com uma sobredose do
electrólito (índices de actividade muito inferiores comparativamente
aos obtidos, utilizando água corrente e água destilada).
e) Papel do ar ocluso nos poros do solo e da componente da capilaridade;
 Durante a embebição de um solo dessecado, o ar ocluso nos vazios de
forma capilar aumenta rapidamente de tensão ao ser comprimido pelas
forças de capilaridade. O aumento da tensão na fase gasosa produz
forças tensoras no esqueleto do solo obrigando-o a expandir. Neste
caso, os materiais compactados a teores de humidade correspondentes
ao ramo seco da curva de compactação são mais susceptíveis deste
fenómeno do que os solos compactados para teores de humidade
acima do óptimo (extraído de Horta da Silva, 1974).
f) Efeitos da absorção e troca de catiões (electrólito);
 A reacção entre iões fixados na argila e os iões do electrólito depende:
da natureza dos iões envolvidos, das suas concentrações relativas, da
natureza da argila e de reacções secundárias.
i. Para concentrações equivalentes, alguns catiões são absorvidos
mais fortemente que outros (sériesliotrópicas).
ii. O poder de troca dum catião será tanto maior quanto maior for
a sua valência e menor for a sua hidratação.
5 A dureza da água está relacionada com a concentração em alguns minerais dissolvidos, sobretudo o
Cálcio (Ca2+) e Magnésio (Mg2+). A água que contém pequenas quantidades destes sais é caracterizada
como macia (0-75 mg/l - CaCO3), enquanto a água dura contém níveis mais elevados destes minerais
(150-300 mg/l - CaCO3).
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 Os sais que formam soluções básicas são os mais convenientes para
promover a desfloculação (forças repulsivas sobrepõem-se às forças
atractivas), porque favorece a modificação da argila cálcica em argila
sódica.
g) Condições de confinamento;
 Como a amostra de solo está confinada num anel, a definição de
expansão usada remete apenas para a livre variação vertical
apresentada em percentagem da altura original.
h) Tempo permitido para a expansão;
 A percentagem de expansão é determinada quando se atinge a
estabilização. Porém, a previsão da expansão está sobrestimada em
consequência do encharcamento total da amostra, o que geralmente
não sucede no terreno.
i) Amostra intacta ou desintegrada e recompactada;
 Este ensaio foi realizado a partir de amostras desintegradas e
recompactadas (Especificação LNEC E195-1967). Daí, e segundo Horta
da Silva (2010), sabemos que evidencia-se a influência da composição
mineralógica do solo em detrimento do papel desempenhado por
outros factores, como por exemplo, microestrutura do solo sedimentar
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em grande parte ligada à história das tensões e deformações do
material, no decurso da sua história geológica.
Documentação principal
Especificação LNEC E195: “Ensaio de expansibilidade”, 1967
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Gulbenkian, 1986
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1957
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Sociedade Portuguesa de Geotecnia, 1974
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instabilidade volumétrica e projectos de fundações”, Revista da Sociedade Portuguesa
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Equilíbrios limite e estados críticos ”, Curso de Especialização 110-2 do Laboratório
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	a)Condições de compactação;
	O procedimento experimental� referente à compactaç
	De acordo com Horta da Silva (1974), duma maneira 
	Ainda seguindo Horta da Silva (1974) sabemos que, 
	Em Horta da Silva (1974) é mencionado que a compac
	b)Orientação espacial dos minerais, relativamente un
	Como já foi descrito anteriormente, quanto mais en
	Em Horta da Silva (1984) existem referências (dive
	Duma maneira geral, podem existir diferenças na pe
	c)Composição do solo;
	A composição granulométrica e mineralógica são fac
	d)Natureza do líquido electrolítico;
	Como o líquido electrolítico utilizado foi a água 
	Horta da Silva (1973) nos seus ensaios laboratoria
	Acompanhando ainda o estudo de Horta da Silva (197
	e)Papel do ar ocluso nos poros do solo e da componen
	Durante a embebição de um solo dessecado, o ar ocl
	f)Efeitos da absorção e troca de catiões (electrólit
	A reacção entre iões fixados na argila e os iões d
	i.Para concentrações equivalentes, alguns catiões sã
	ii.O poder de troca dum catião será tanto maior quant
	Os sais que formam soluções básicas são os mais c
	g)Condições de confinamento;
	Como a amostra de solo está confinada num anel, a 
	h)Tempo permitido para a expansão;
	A percentagem de expansão é determinada quando se 
	i)Amostra intacta ou desintegrada e recompactada;
	Este ensaio foi realizado a partir de amostras des
	Especificação LNEC E195: “Ensaio de expansibilidad
	Nascimento, U.; Folque, J.; Castro, E.; Melo, G.; 
	Nascimento, U.; Folque, J.; Castro, E.; Melo, G.; 
	Novais Ferreira, H.; Horta da Silva, J.A.; “Nota s
	Matos Fernandes, M.; “Mecânica dos solos - Conceit
	Matos Fernandes, M.; “Mecânica dos solos – Introdu
	Seminário 208, “Fundações em terrenos não rochosos
	Velde, B.; “Introduction to clay minerals – Chemis
	Documentação complementar
	Chen, F.H.; “Foundations on expansive soils”, Else
	Folque, J. B.; “Fundações superficiais”, Informaçã
	Fredlund, D.G.; Rahardjo, H.; Fredlund, M.D.; “Uns
	Horta da Silva, J.A.; “Identification, Mineralogy 
	Horta da Silva, J.A.; “Tropical and subtropical un
	Sorochan, E.A.; Burov, E.S.; “Fundações em solos e
	Sorochan, E.A.; “Construction of buildings on expa