Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
1 MINERALOGIA Prof.ª Bianca Pagani 2016/1 A engenharia trabalha com uma grande variedade de tipos rochosos, cada tipo com características intrínsecas (mineralogia, textura, estrutura, etc.) que devem ser conhecidas para as obras serem planejadas e executadas com o menor custo e maior segurança, resultando na melhoria da qualidade final do trabalho realizado. As caracterizações geólogico-geotecnicas são fundamentais tanto nos estudos de viabilidade e nos projetos de implantação de obras, como naqueles de previsão, prevenção ou correção de efeitos danosos de processos naturais (como os escorregamentos). A fase sólida dos solos é composta de uma fração mineral e uma orgânica. A fração mineral divide-se em lotes de dimensões que apresentam diferenças em relação à mineralogia e ao comportamento químico. Na posse deste tipo de informações a possibilidade de tomar decisões corretas no que diz respeito à utilização de um solo é potencializada. A mineralogia do solo constitui-se em área básica e essencial ao entendimento e desenvolvimento da Ciência do Solo. Ela constitui uma excelente ferramenta para o conhecimento e a avaliação da gênese do solo, do seu comportamento físico e químico, além de ser um indicativo da reserva potencial mineral de nutrientes para as plantas. Conceitos Básicos Os solos tem origem na decomposição das rochas e podem preservar características mineralógicas e físicas. Mineral: é um corpo sólido, natural, inorgânico, homogêneo, que possui uma composição química definida com uma estrutura atômica tridimensional ordenada. É homogêneo quanto às suas propriedades físicas e químicas ou exibe variações restritas. Mineralogia: é o ramo da ciência geológica que estuda os diversos tipos minerais e suas propriedades, as quais são determinadas por características: Físicas (dureza, clivagem, traço, etc), Óticas (brilho, cor) e Químicas (composição). 2 Conceitos Básicos Minerais se formam por cristalização – Resfriamento do magma (lava de vulcão); – Resfriamento de soluções ou gases magmáticos; – Evaporação de soluções salinas; – Reações entre substâncias. Na maioria os minerais são compostos químicos resultantes da associação de átomos de dois ou mais elementos. A composição química e as propriedades cristalográficas bem definidas do mineral fazem com que ele seja único dentro do reino mineral, recebendo um nome característico. Cada tipo de mineral constitui uma espécie mineral. Conceitos Básicos Mineralóide: é qualquer sólido ou líquido, que ocorre naturalmente, que não possui arranjo sistemático dos átomos que o constitui. São substâncias não cristalinas (amorfas). Ex.: vidro vulcânico, opala, âmbar, carvão, petróleo. Cristal: é todo corpo que ao passar do estado líquido ou gasoso para o estado sólido adquire (forças interatômicas) uma estrutura interna ordenada que se manifesta numa forma externa regular e poliédrica (natural ou sintético). Conceitos Básicos Rocha: é um agregado natural e multigranular formado de um ou mais minerais e/ou mineralóides entrelaçados ou fortemente cimentados, dando coerência ao conjunto. Solo: agregação de minerais justapostos, friáveis à pressão dos dedos. É o resíduo da decomposição das rochas. Constituição dos Minerais Núcleo do átomo é constituído de prótons e nêutrons. Estes definem a densidade do elemento. O núcleo é circundado pelos elétrons, distribuídos em níveis energéticos (orbitais), quanto maior a órbita descrita pelo elétron (mais afastado do núcleo), maior é a sua energia. São os elétrons, os mais externos, que afetam a maior parte das propriedades químicas... (características mecânicas, de resistência, elétricas, óticas, etc.) 3 Constituição dos Minerais Na formação dos sólidos, os átomos tendem a se arranjar ordenadamente, formando cristais. Se o arranjo ordenado for impedido por alguma circunstância e os átomos ficam a esmo, sem caracterizar uma estrutura cristalina, portanto amorfa. Se o arranjo está geometricamente definido temos uma estrutura cristalina. De acordo com a estrutura serão definidas as propriedades mecânicas (físicas) do mineral. Ex.: grafite x diamante (minerais com mesma composição química, mas com estrutura cristalina e propriedades físicas distintas). diamante : transparente, incolor, dureza 10, denso grafite : opaco, preto, dureza 1,5, menos denso Constituição dos Minerais Minerais formados por um só elemento químico são menos comuns do que os formados por mais elementos. Elementos nativos (um elemento químico): ouro, cobre enxofre, carbono, etc. Isomorfismo: substâncias que possuem estrutura cristalina semelhante e composição química distinta. Estrutura interna e a forma cúbica da Halita (NaCl). Os vértices cresceram mais do que as arestas e as faces, por isto a forma cúbica (íons dos vértices possuem maior carga para atrair íons). Sistemas Cristalinos Qualquer arranjo de átomos pode ser classificado num dos 7 Sistemas Cristalinos Principais, com diferentes formas e configurações: Nome do Sistema Formas Cristalográficas Características Cúbico, Regular ou Isométrico Cubo, octaedro... Cristais com 3, 8 ou 12 pares de faces. Ex.: halita, pirita, magnetita, granada... Tetragonal Prisma reto de base quadrada Forma + alongada que o cubo, somente 2faces com dimensões iguais. Ex.: Zircão, Scheelita... Rômbico ou ortorrômbico Prisma reto de base retangular 3 faces iguais, porém todas as faces apresentam ângulos retos umas com as outras. Ex.: Barita. Hexagonal Prisma reto de base hexagonal ou trigonal, bipirâmide ou romboedro Formas hexagonais prismáticos ou bipirâmidais. Ex.: Berilo... Romboédrico ou Trigonal Prisma de 6 faces losangulares iguais Os cristais trigonais são como os hexagonais, mas de difícil definição. Ex.: Quartzo... Monoclínico Prisma oblíquo (faces inclinadas) com base cúbica, regular ou hexagonal Sistema cristalino + comum, nenhum par de faces tem o mesmo tamanho. Ex.: Caulinita, gipso... Triclínico Pares de faces paralelas (pinacóides) Sistema menos simétrico, nenhuma face tem mesmas dimensões ou ângulos. Ex.: Axinita... Sistemas Cristalinos Os eixos cristalográficos são elementos de referência utilizados na descrição do cristal. Estes passam no centro do cristal. A forma externa do mineral é chamada de hábito (ver tabela ABGE, 1998). A associação de dois ou mais cristais de um mesmo material, unidos por um plano de composição e agrupados , constitui uma germinação ou macla. 4 Sistemas Cristalinos Sistemas Cristalinos (ABGE, 1998) Sistemas Cristalinos (ABGE, 1998) Estrutura Interna dos Minerais A estrutura cristalina acomoda as diferentes proporções entre os diferentes elementos químicos que formam o mineral, o que gera uma geometria interna permanente. Em função do tamanho dos minerais a estrutura cristalina é classificada: Holocristalina: minerais visíveis à vista desarmada; Microcristalina: minerais visíveis ao microscópio; CRISTALINA Criptocristalina: raio – X. 5 Estrutura Interna dos Minerais A formação dos diferentes tipos de minerais depende da disponibilidade dos elementos químicos no sistema e das condições de pressão e temperatura reinantes, as quais determinam a mobilidade dos elementos no sistema. Considerando doiselementos, o elemento que contribuirá para a formação de um mineral será aquele que melhor combine/interaja com outros elementos no sistema afim de formar uma estrutura cristalina. Somente 8 dos 92 elementos que ocorrem naturalmente na crosta continental terrestre são relativamente abundantes, com o predomínio do oxigênio e da sílica. Estrutura Interna dos Minerais Elemento Proporção em massa na Terra Oxigênio 45,20% Sílica 27,20% Alumínio 8,00% Ferro 5,80% Magnésio 2,77% Cálcio 5,06% Sódio 2,32% Potássio 1,68% Outros elementos 1,97% Cerca de 60% da crosta terrestre é constituída de SILICATOS, sendo o oxigênio o elemento mais abundante (94%). Pela abundancia, os silicatos são os elementos mais importantes para a Engenharia. São minerais formadores de Rocha. Estrutura Interna dos Minerais Classificação dos Minerais: Silicatos – estruturalmente apresentam agrupamento de tetraedro de sílica (SiO4) -4. Estrutura principal formada por elementos abundantes na natureza. Não-silicatos – estes minerais abrangem o grupo dos elementos nativos (qualquer elemento em sua forma simples encontrado na natureza), sulfetos, óxidos e hidróxidos, carbonatos, halóides e sulfatos. Estrutura Interna dos Silicatos Agrupamento de Tetraedro de sílica (SiO4) -4. Os átomos de oxigênio envolvem geometricamente e neutralizam o átomo de silício. Os tetraedros tendem a ligar-se entre si formando cadeias lineares, estruturas laminares ou espaciais. Modelo pacote de esferas. Modelo bola e palito. 6 Estrutura Interna dos Silicatos Os silicatos são divididos conforme o tipo de ligação entre as estruturas tetraédricas: NESOSSILICATOS: tetraedros de (SiO4) -4 independentes, ligados por cátions de Fe, Mg, etc. Minerais comuns neste grupo: olivina, granada, titanita, zircão. INOSSILICATOS: contem unidades tetraédricas ligadas por oxigênios, formando cadeias simples ou duplas. Em geral possuem cores verde-escura a preta (macroscopicamente). Estrutura interna dos Silicatos FILOSSILICATOS: são hidratados e suas unidades tetraédricas se dispõem em folhas (estrutura planar). TECNOSSILICATOS: tetraedros de sílica ligados entre si por oxigênios comuns, resultando numa estrutura tridimensional. Identificação dos Minerais Métodos: Macroscópicos; Microscopia ótica; Químicos. Reconhecimento macroscópico: Forma – eixos e ângulos cristalográficos, definido pelas faces naturais do corpo mineral; Cor – está relacionada com defeitos estruturais, composição química ou impurezas contidas no mineral; Traço – é a cor do pó mineral que se observa quando este risca uma superfície áspera de porcelana branca e dura; Brilho apresentado pela superfície de fratura recente do mineral, ao refletir a luz incidente. O brilho pode ser metálico, vítreo, resinoso... Identificação dos Minerais 7 Identificação dos Minerais Dureza: resistência do mineral ao risco ou abrasão. É medida pela resistência que a superfície do mineral oferece ao risco por outro mineral. Escala de dureza de Mohs (ABGE, 1998). Identificação dos Minerais Tenacidade – resistência que os minerais oferecem a flexão, ao esmagamento, ao corte, etc. Minerais do grupo das micas são flexíveis e elásticos. O quartzo, feldspatos e a calcita são quebradiços. Identificação dos Minerais Clivagem: superfície de fratura plana, paralela a uma face do cristal. O tipo da estrutura cristalina determina a presença ou ausência da clivagem. É qualificada como perfeita, boa, distinta e imperfeita. Identificação dos Minerais Fratura: superfície de quebra do mineral, independente do plano de clivagem, podendo ser do tipo irregular ou concóide, esta última igual a do vidro. Magnetismo: os minerais que contém o elemento ferro são afetados pelo campo magnético, podem ser extraídos pelo imã. Os que são fortemente atraídos pelo imã são chamados de ferromagnéticos, como é o caso da magnetita. 8 Minerais formadores das Rochas A seguir os minerais que predominam na formação das rochas: Tipos e Famílias de Minerais Sub-Grupos Percentual Feldspatos Ortoclásio, plagioclásio 58% Piroxênios Anfibólios Ex.: Augita Ex.: Hornblenda 16% Quartzo Ágata 12% Micas Biotita, muscovita 4% Carbonatos Calcita, dolomita 3% Feldspatos Minerais secundários Ex.: Olivina EX.: Argilo-minerais 7% Minerais formadores das Rochas Classificação: Minerais Primários: formados diretamente do magma. Minerais Secundários: provenientes dos primários sob ação das intempéries. Os minerais primários são herdados do material originário; mantém-se praticamente inalterado na sua composição. Exemplos de minerais primários: quartzo, feldspatos, plagioclasio, micas, piroxenios, anfibólios, olivinas, etc. Minerais formadores das Rochas Minerais Primários: Os minerais primários do solo têm importância para a avaliação do grau de evolução do solo e da sua reserva mineral. Grau de evolução do solo Os minerais primários mais abundantes nos solos são o quartzo e os feldspatos – são os mais abundantes nas rochas da crusta terrestre e são os mais resistentes. A presença da olivina, augite, horneblenda ou plagioclase cálcica, indicam um estágio inicial de meteorização das rochas e de evolução do solo. Um solo derivado de rochas com quartzo, feldspatos e minerais ferromagnesianos e em que predominam o quartzo e o feldspato potássico, como minerais primários, será um solo muito mais evoluído. Minerais formadores das Rochas Minerais Secundários: Os minerais secundários do solo podem ter 3 origens: São sintetizados no próprio solo (in situ) a partir dos produtos da meteorização dos minerais primários menos resistentes; Resultam de alterações da estrutura de certos minerais primários, que ocorrem também in situ; ou São herdados do material originário. 9 Minerais formadores das Rochas Classificação: Minerais Essenciais: são os constituintes que definem e caracterizam uma rocha. A maioria das rochas possui de 2 a 3 minerais, algumas apenas 1. Minerais Acessórios: são os que não influem na classificação da rocha, ocorrendo em porcentagens pouco significativas na sua composição mineralógica. Minerais formadores das Rochas QUARTZO: arranjo estrutural compacto dos tetraedros (SiO2). Alta resistência a alteração – Não possui clivagem – É duro (dureza 7) – Incolor, geralmente, com brilho vítreo. Ametista (roxo), Citrino (amarelo), podendo ser rosa... Na maioria os grãos de areia dos solos ou sedimentos são compostos por quartzo. a. Quartzo branco (leitoso) b. Quartzo negro c. Quartzo violeta (ametista) d. Quartzo amarelo (citrino) Minerais formadores das Rochas Minerais formadores das Rochas 10 Minerais formadores das Rochas Minerais formadores das Rochas Minerais formadores das Rochas FELDSPATOS: principais grupos ortoclásico e plagioclásico. Dureza: Varia entre 6 e 6,5. Densidade: 2.55 e 2.76 g/cm³. Clivagem: Perfeita em duas direções, formando angulo de 90º (ou próximo disto). Brilho: Vítreo. Sistema de Cristalização: Monoclínico, triclínico. Aspecto: Translúcido e transparente. Traço: Branco. Fratura: Desigual, estilhaçada, granulada. Minerais formadores das Rochas FELDSPATOS: Os Feldspatos representam o mais abundante grupo de minerais constituintes das rochas ígneas. Podem ocorrer em rochas que sofreram metamorfismo térmico ou regional e também são importantes constituintes de muitos sedimentos e rochas sedimentares. Feldspato Potássico Plagioclásios 11 Minerais formadores das Rochas FELDSPATOS: São uma combinação química entre silicatos de alumínio com potássio, sódio, cálcio e, raramente, bário. Devido a sua grande complexidade química e extraordinária presença na crosta terrestre serve de base para a classificação das rochas ígneas. Minerais formadores das Rochas FILOSSILICATOS: Micas – muscovitas (branca, verde, prateada ou transparente) e a biotita (preta a verde). Facilmente reconhecidas pela clivagem em folhas. Dureza baixa de 2 a 3. Muscovita possui potássio e a biotita, ferro e magnésio. Minerais formadores das Rochas FILOSSILICATOS: Muscovita Biotita 12 Minerais formadores das Rochas PIROXÊNIOS, ANFIBÓLIOS e PERIDOTOS: são silicatos de ferro e magnésio. Piroxênios e anfibólios – clivagem e cores escuras. Aparecem como pontos pretos nas rochas. Peridoto ou olivina: quando não alterado apresenta cor verde e brilho vítreo, sem clivagem. Minerais formadores das Rochas PIROXÊNIOS, ANFIBÓLIOS e PERIDOTOS: Olivina Minerais formadores das Rochas CALCITA e DOLOMITA: Cores claras (branco, rosa ou incolor) – 3 direções de clivagem – dureza baixa de 3. Calcita – carbonato de cálcio. Dolomita – carbonato de cálcio e magnésio. Minerais formadores das Rochas CALCITA e DOLOMITA: Calcita Dolomita 13 Argilas É definida como um material plástico, composto por silicatos de alumínio hidratados (argilo-minerais) e de graduação fina (inferior a 0,002mm). As argilas são aluminossilicatos hidratados acrescidos de ferro, magnésio, elementos alcalinos e alcalinos terrosos. Formada praticamente por argilo-minerais. Pode ser formada por substâncias orgânicas e inorgânicas. Argilo-minerais, outros minerais não argilosos (hidróxidos de ferro e alumínio, quartzo, mica, feldspatos, calcita). Húmus e microorganismos. Argilas A plasticidade representa uma propriedade do material úmido deformar-se quando aplicado uma tensão, sendo esta deformação mantida quando a tensão é retirada. “Fração Argila” refere-se a dimensão de uma partícula, que dependendo do tipo de tabela utilizada tem um limite superior que varia de 0,002mm e 0,005mm. Dois solos com a mesma granulometria, partículas da mesma forma e estruturas semelhantes podem apresentar comportamento distinto, devido a diferença na sua composição mineralógica. Argilo-Minerais Todos são aluminossilicatos hidratados com uma estrutura cristalina em folhas. As partículas dos minerais podem ser cristalinas ou amorfas, lamelares ou fibrosas e também podem variar as dimensões coloidais. Os argilo-minerais são formados basicamente por camadas de sílica (SiO2) e hidróxido de alumínio (Al2(OH)3). As argilas podem ser classificadas como: 1:1 Uma camada octaédrica ligada a uma tetraédrica. 2:1 Duas camadas tetraédricas separadas por uma octaédrica. Argilo-Minerais Uma camada octaédrica ligada a uma tetraédrica. Duas camadas tetraédricas Separadas por uma octaédrica. 14 Argilo-Minerais Apresentam plasticidade, absorção de água e troca catiônica. São colóides elétronegativos com capacidade de retenção de água. Variação de volume conforme o teor de água. Estrutura lamelar, alternando folhas de tetraedros de sílica e folhas de octaedros de alumínio que pode ser substituído por Fe, Mg, etc. Argilo-Minerais Argilo-Minerais Os Grupos mais comuns são: Grupo da Caulinita – baixa capacidade de troca catiônica comparada com as outras argilas, porém elevada capacidade de troca de íons (devido a presença), localizados fora das lâminas estruturais – menor permeabilidade. é um argilo-mineral de alumínio hidratado, 1:1 A caulinita é utilizada na fabricação de porcelana, cerâmica, e quando apresentar um grau de pureza muito alto e uma coloração muito alva (clara) possibilita seu uso pela indústria de papel. Argilo-Minerais Grupo da Ilita: difere da muscovita por ter mais sílica e menos potássio. A presença de um número considerável de íons potássio impede a entrada de água ou líquidos orgânicos e outros cátions na estrutura. Ilita: micas que gradam em direção as argilas, assemelhan-se a muscovita. Outros nomes: hidromuscovitas, hidromica. 15 Argilo-Minerais Estrutura molecular 1:1 – Caulinita. Estrutura das camadas. Estrutura das camadas 2:1 – Ilita. Argilo-Minerais Os Grupos mais comuns são: Grupo das Esmectitas ou Montmorilonita A Esmectita é uma variação da caulinita, pertencente à classe dos filossilicatos e pertencente ao grupo da montmorilonita. Possui uma coloração esverdeada e tem um alto índice de absorção de água, o que faz com que a mesma possua uma alta capacidade de trocar cátions com o meio. Troca catiônica: os mais freqüentes são entre o sódio e o cálcio, mas podem ocorrer com potássio, magnésio... Argilo-Minerais Os Grupos mais comuns são: Grupo das Esmectitas ou Montmorilonita Moléculas interestratos: a quantidade de água adsorvida varia segundo o tipo de esmectita. Esmectitas de cálcio fixam duas camadas de moléculas de água em cada espaço, enquanto que a sódica pode variar apresentando uma maior capacidade de expandir. A montmorilonita (MMT) é um argilomineral composto por camadas estruturais constituídas por duas folhas tetraédricas de sílica e uma folha central octaédrica de alumina, unidas entre si por átomos de oxigênio comum a ambas as folhas. Argilo-Minerais Estrutura das camadas 2:1 – Montmorilonita. 16 Argilo-Minerais Os Grupos mais comuns são: Grupo da Clorita – minerais com estrutura em camadas, se assemelham as micas. Principais ocorrências: produtos de alteração hidrotermal em rochas vulcânicas, em rochas metamórficas e como minerais de argila em sedimentos argilosos. Alguns métodos para identificação de um argilo-mineral: Testes químicos, capacidade de troca catiônica, microscopia eletrônica, difração de raio x, difratograma... A clorita é geralmente encontrada em rochas ígneas como produto da alteração de minerais máficos como a piroxena, anfíbola e biotite. Argilo-Minerais Argilo-Minerais Os Grupos mais comuns são: Vermiculita A vermiculita é um mineral formado por hidratação de certos minerais basálticos. Sofre expansão quando lhe é aplicado calor. Possui alta capacidade de troca catiônica e é utilizada comercialmente, principalmente em sua forma expandida na construção civil e na agricultura. Argilo-Minerais Os Grupos mais comuns são: Vermiculita Construção Civil: Isolante térmico como argamassa para lajes (cobertura térmica) e paredes ( reboco térmico); Agregado leve para argamassas e concretos; Argamassa de contrapiso com a função de isolamento acústico entre pavimentos; Proteção de impermeabilização em lajes de cobertura; Miolo de divisórias e portas "corta-fogo"; Câmaras a prova de fogo; Forro decorativo e acústico, a prova de fogo. Proteção interna dos recuperadores de calor a lenha; Isolamento, quando necessário em hottes de lareiras e recuperadores. 17 Argilo-Minerais Os Grupos mais comuns são: Vermiculita Indústria Tijolos e argamassas isolantes;Isolante térmico e anti-corrosivo; Isolante térmico para construção naval; Embalagens à prova de choques e fogo; Elemento filtrante. Sistema Argila-Água Depende da natureza do argilo-mineral, dos íons adsorvidos na superfície. A água está adsorvida na superfície do argilo-mineral na forma de oxidrilas e hodroxilas (orientadas). A passagem para água líquida pode ser brusca ou gradual. Pode ser eliminada entre 100 e 150°C. Qualidade das argilas através de ensaios geotécnicos Comportamento do solo no estado natural (indeformado) ou estado deformado. Adensamento, permeabilidade, resistência ao cisalhamento, resistência à erosão, expansão/contração. As propriedades são solicitadas em função do tipo de solicitação: Pavimentação: compactação, resistência, contração, permeabilidade. Barragens: compactação, adensamento, permeabilidade, resistência ao cisalhamento... Fundações: adensamento, colapsividade, resistência... Qualidade das argilas através de ensaios geotécnicos 18 Qualidade das argilas através de ensaios geotécnicos Qualidade das argilas através de ensaios geotécnicos
Compartilhar