Aula_2_Composicao_quimica_dos_solos

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Composição química e 
mineralógica dos solos
Principais Elementos Constituintes da Crosta Terrestre 
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Principais minerais formadores das rochas
Principais minerais formadores das rochas
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Minerais silicatos
Correspondem a aproximadamente 92% dos Minerais 
constituintes da crosta terrestre
Série de cristalização dos minerais silicatos 
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Composição química e mineralógica dos solos
Os minerais que formam os solos dependem da rocha de origem:
Primários: quando provêm diretamente da rocha matriz. Ex: quartzo, ortoclasse
Secundários: quando são formados na decomposição da rocha. Ex: minerais argílicos, hematita.
Mineral: substância inorgânica e natural, com composição química e estrutura definidas;as
propriedades físicas de maior interesse para a engenharia são a densidade e dureza.
As rochas, em geral, são formadas basicamente por:
�Quartzo: é um dos minerais mais resistentes ao intemperismo, estável, ótima resistência e
compressão(SiO2). É um mineral dificilmente atacado pelo intemperismo químico, e não possui
clivagem, razão pela qual é o principal constituinte da fração arenosa dos solos e sedimentos.
�Feldspato: silicato de alumínio, de ferro etc – é a parte fraca da rocha, facilmente atacável
produzindo compostos solúveis. É um mineral facilmente decomposto pelo intemperismo
químico, transformando-se em argila. É o mineral mais comum nas rochas, mas menos
resistente ao intemperismo do que o quartzo. Por isso, não é comumente encontrado em
materiais que sofreram muito transporte (sedimentos e solos).
�Mica: sob certas condições são atacáveis, noutras não. facilmente alterada pelo intemperismo
químico em climas úmidos e quentes, dando origem a argilas Apresentam-se na forma de
palhetas ou escamas brilhantes. Os principais tipos são a muscovita (branca) e a biotita (preta).
Minerais Constituintes dos Solos Grossos
Nos solos grossos os minerais predominantes são:
Silicatos - principalmente Quartzo (SiO2) e Feldspato
Carbonatos - principalmente Calcita e Dolomita
Sulfatos - principalmente Anidrita
Fonte: Jucá, 2013
• Nos solos grossos o comportamento mecânico e hidráulico está principalmente condicionado
por sua compacidade e pela orientação de suas partículas, sendo a sua constituição
mineralógica, até certo ponto, secundária.
• Características físicas determinadas principalmente pelo tamanho das partículas, forma, textura
superficial e distribuição de tamanho.
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Minerais Constituintes dos Solos Finos
-Partindo dos numerosos minerais (principalmente silicatos) que se encontram nas rochas
ígneas e metamórficas, os agentes de decomposição química chegam a um produto final: a
argila
-Ao contrário com o que ocorre com os solos grossos, o comportamento mecânico das argilas é
decisivamente inlfuenciado por sua estrutura em geral, e constituição mineralógica em particular.
-As argilas são constituídas basicamente por “silicatos de alumínio hidratados” , podendo
também apresentar silicatos de magnésio, ferro ou outros metais, também hidratados.
-Esses minerais têm, quase sempre, uma estrutura cristalina definida, cujos átomos estão
dispostos em lâminas.
A investigação dos componentes mineralógicos das argilas é de grande importância,
pois o comportamento mecânico destas é função principalmente de sua estrutura, a
qual é fortemente influenciada pela constituição mineralógica. As argilas são
constituídas de pequenos minerais cristalinos, denominados minerais argílicos, os
quais ordinariamente têm células unitárias com carga residual negativa
Estrutura dos Minerais Argílicos
Unidades cristalográficas fundamentais:
Sílica Gibsita
Tetraedro de silício Octaedro de alumínio
Representação esquemática:
Fonte: Mouta, 2012
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Minerais Argílicos
� Caulinita
� Montmorilonita
� Ilita
Unidades Básicas: Lâminas (tetraedros de Si e/ou octaedros de Al)
União das Lâminas: Camadas
Empilhamento de Camadas: Minerais
Destacam-se três grupos principais:
Fonte: Mouta, 2012
Minerais Constituintes dos Solos Finos
-Os tetraedros agrupam-se em unidades hexagonais, sendo a ligação entre dois
tetraedros, feita pelo vértice (oxigênio). As unidades hexagonais repetem-se
indefinidamente, formando uma retícula laminar.
-A combinação das unidades tetraédricas de sílica fornece uma lâmina de sílica (a)
- As unidades octaédricas consistem em 6 hidróxilos em torno de 1 átomo de oxigênio,
fomando as lâminas octaédricas
-As lâminas alumínicas estão formadas por retículas de octaedros, tendo também como
ligação o oxigênio (b)
-De acordo com a estrutura reticular os minerais de argila constituem três grupos:
- Caulinitas
- Montmorilonitas
- Ilitas
(a) (b)
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� Em uma Lâmina de Sílica, cada átomo de sílicio com carga positiva
de 4 é ligado a quatro átomos de oxigênio com um a carga negativa
total de 8. Mas cada átomo de oxigênio da base do tetraedro é ligado
a 2 atomos de silicio. Isto significa dizer que que o átomo de Oxigênio
superior de cada unidade tetraédrica tem carga negativa para ser
equilibrada. Quando a lâmina de Sílica é empilhada sobre a lâmina
de octaedrica, estes átomos de oxigênio substitui os hidroxilos para
equilibrar suas cargas.
Caulinitas
Consiste na repetição de camadas de de lâminas Sílica-gipsita
elementares da rede 1:1
Em consequência da estrutura rígida, são relativamente estáveis
em presença da água. Sendo considerada não expansiva em
processo de saturação.
As caulinitas possuem superfície específica de 15m2/g
É o argilomineral mais comum encontrado nos solos residuais.
É estável e não caracteriza o solo como problemático,
principalmente no que se refere a característica de plasticidade
e expansão.
7,2Å
Lâmina de Sílica
Lâmina 
gibsita
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Ilitas
Consiste em uma lâmina de gibsita ligada a duas lâminas de
sílica (uma no topo e outra na base).
As camadas da ilita são ligadas por íons de potássio (k)
As ilitas possuem superfície específica de 80 m2/g
A carga negativa para equilibrar os íons de potássio vem da
substituição do alumínio por algum sílicio nas unidades
tetraedricas. Possuem estrutura análoga à das montmorilonitas
sendo porém menos expansivas em virtude da ligação de
potássio.
As partículas das ilitas são extremamente pequenas, portanto,
sem condições de definir um contorno ou forma. Todavia, a
microscopia eletrônica tem mostrado que as partículas da ilita e
montmorilonita tê a forma de ““““flocos achatados””””
K
Fonte: Jucá, 2013
Lâmina de Sílica
Lâmina 
gibsita
Lâmina de Sílica
Lâmina de Sílica
Lâmina 
gibsita
Lâmina de Sílica
10 Å
Montmorilonitas
A ligação entre as retículas é frágil, possibilitando a entrada de
água entre as mesmas (material expansivo). ex.: bentonita
É utilizada na engenharia civil, principalmente nas escavações e
no reparo de fissuras em taludes e barragens de terra.
Na perfuração de poços de petróleo, as bentonitas melhoram as
propriedades dos fluidos durante a operação de perfuração de
poços, desempenhando uma ou várias das seguintes funções:
aumentar a capacidade de limpeza do poço, reduzir
asinfiltrações nas formações permeáveis, etc.
Fonte: Jucá, 2013
nH2O e cátions intercambiáveis
Lâmina de Sílica
Lâmina 
gibsita
Lâmina de Sílica
Lâmina de Sílica
Lâmina 
gibsita
Lâmina de Sílica
Espaçamento 
variável – de 9,6 
Å até separação 
completa 
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Principais minerais argílicos
Caulinita: formado por empilhamento regular das camadas 1:1, 1 tetraedro SiO4 e um
octaedro Al2O6 ligados entre si através de oxigênios comuns. A ligação entre unidades é
suficientemente firme para não permitir a penetração de moléculas de água entre elas. Em
consequência as caulinitas são relativamente estáveis em presença de água.
Montmorilonita:uma camada é constituída por duas folhas de SiO4 e uma folha central Al2O6(2:1), unidas entre si por oxigênios comuns. As camadas sucessivas estão ligadas fracamente
entre si e camada de água ou moléculas polares podem entrar entre elas. Apresentam
possibilidade de expansão.
Ilita: estrutura cristalina semelhante a montmorilonita (2:1), com uma substituição maior de
alumínio por silício e um cátion neutralizante de potássio. As camadas estruturais são muito
ligadas entre si e, portanto, quase não expandem.
Influencia bastante nas
propriedades das argilas.
Uma montmorilonita sódica é
muito mais expansiva e
quimicamente ativa do que
uma montmorilonita cálcica.
(a espessura da dupla camada é
maior para cátions monovalentes
do que para cátions bivalentes).
Cátions trocáveis (Na+, K+, Ca+2, Mg+2)
Teoria a dupla camada
Comportamento das argilas
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Comportamento das argilas
� O comportamento das argilas seria menos complexo se não ocorressem
imperfeições na sua composição mineralógica.
� É comum, a ocorrência de um átomo de alumínio, Al+3, substituindo um de
silício, Si+4, na estrutura tetraédrica;
� Na estrutura octaédrica, átomos de alumínio são substituídos por átomos de
menor valência, como o magnésio, Mg++.
� Estas substituições são definidas como isomórficas, pois não alteram os
arranjos dos átomos, mas as partículas resultam com uma carga negativa
� Para neutralizar as cargas negativas, existem cátions livres nos solos, como
Ca++ ou Na+, aderidos as partículas. Estes cátions atraem camadas contíguas,
mas com força relativamente pequena, o que não impede a entrada de água
entre as camadas. A liberdade de movimento das placas explica a elevada
capacidade de adsorção de água de certas argilas, sua expansão quando em
contato com a água e sua contração considerável ao secar.
� Os cátions e os íons são facilmente trocáveis por percolação de soluções
químicas. O tipo de cátion presente numa argila condiciona seu
comportamento.
Mecânica dos Solos
Técnicas para Identificação da Espécies Mineralógicas
• Difração de Raios-X
• Análise Térmica Diferencial (ATD)
• Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
• Análise Química
Fonte: Jucá, 2013
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Superfície específica dos solos, de acordo com o 
tamanho da partícula e mineral 
SOLO / PARTÍCULA / MINERAL SUPERFICIE ESPECÍFICA (m2/g)
Areia Grossa 0,01
Areia Fina 0,1
Silte 1,0
Caulinita 5-100
Ilita 100-200
Vermiculita 300-500
Montmorilonita 700-800
Superfície específica é a área da superfície das partículas por unidade de massa
Capacidade de Troca Catiônica – CTC 
em miliequivalentes por 100g 
CTC é o número de cátions solúveis para atingir um equilíbrio elétrico
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Atividade dos Solos Finos
� Atividade = IP / % de solos finos (<2 micra)
Estrutura Laminar dos Minerais 
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Algumas características física dos solos
Fase sólida: caracterizada pelo seu tamanho, forma, distribuição e composição
mineralógica dos grãos;
Fase gasosa: ar, vapor d’água e carbono combinado. É bem mais compressível que as
fases liquida e sólida;
Fase líquida: pode estar em equilíbrio hidrostático ou fluir sob a ação da gravidade ou
de outra forma.
Água nos solos
Água de constituição: faz parte da estrutura molecular das partículas sólidas. É
liberada à temperatura acima de 1200oC.
Ex: montmorilonita: (OH)4Al4Si8O20 x H2O.
Água adesiva ou adsorvida: é uma película que envolve a partícula sólida e a ela se
adere fortemente. É liberada a temperatura da ordem ou acima de 600oC.
Água higroscópica: é aquela resultante de um solo seco ao ar. Está ligada à parte
fina do solo. Só é liberada à temperatura acima de 100oC.
Água livre: é a que preenche todos os vazios do solo e é regida pela lei da
hidráulica.
Água capilar: é a que nos solos finos sobe pelos canículos, formados pelas
partículas sólidas e vai além da superfície livre da água.
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Partícula de argila
Água livre
São aquelas que 
podem ser 
retiradas com 
aquecimento a 
105-110oC.
Água 
higroscópica
Água capilar
Dimensão dos grãos (tipos de solos)
A medida do tamanho relativo dos grãos que formam a fase sólida dos solos é chamada
de granulometria.
FRAÇÃO LIMITES (ABNT)
Matacão de 25cm a 1m
Pedra de 7,6cm a 25cm
Pedregulho de 4,8mm a 7,6cm
Areia Grossa de 2,0mm a 4,8mm
Areia média de 0,42mm a 2,0mm
Areia fina de 0,05mm a 0,42mm
Silte de 0,005mm a 0,05mm
Argila Inferior a 0,005
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Dimensão dos grãos (tipos de solos)
Métodos usados para determinação: solos grossos – peneiramento
solos finos – sedimentação
Pedregulho e areia: são agregados de fragmentos de rochas ou minerais de forma
arredondada ou angulosa (nenhuma plasticidade). São chamados de solos grossos.
Apresenta alta permeabilidade.
Siltes e argilas: são chamados solos finos.
É a soma das superfícies de todas as partículas contidas na unidade de peso (ou de
volume) do solo.
Para o caso de uma partícula esférica, teríamos:
No caso dos minerais argílicos as superfícies específicas assumem valores
maiores.
Areia (d = 0,1mm) 0,03m2/g
Minerais
Argílicos
Caulinita 10 m2/g
Ilita 80 m2/g
Montmorilonita 800 m2/g
Quanto mais fino o solo, maior sua superfície específica, isto constitui uma das
diferenças entre os solos arenosos e argilosos. A superfície específica, também, é
relacionada à forma dos grãos. A forma lamelar das argilas é a causa da sua maior
superfície específica.
)/(3
34
4 32
3
2
cmcm
rr
rS =
⋅⋅
⋅⋅
=
pi
pi
Superfície específica
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Formas das partículas
a e b – predominam em pedregulho, areia e silte.
c e f – predominam nas argilas.
g – predominam nas turfas puras.
A forma lamelar das argilas é uma das causas de algumas das propriedades intrínsecas
dos solos argilosos (plasticidade, coesão, etc).
Fração areia
(0,075<φgrão mm<2) 
Bem arredondado
Arredondado
Subarredondado
Angular
Subangular
Obtenção por 
lupa binocular
Formas das partículas - Areias
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Formas das partículas - Argilas
Caulinita
Ilita
Montmorilonita
Forma lamelar
É o arranjo ou a disposição das partículas constituintes entre si.
Tipos de estruturas
� Granular simples (areias e predegulhos) – predominância das forças da gravidade
na disposição das partículas, que se apoiam umas sobre as outras. A estrutura
pode ser mais ou menos densa.
� Alveolar (siltes e areias finas) – predominância de atração molecular sobre o peso
dos grãos. Este fica na posição que cai, dispondo-se em forma de arcos.
Estrutura dos solos
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� Floculada (argilas) – em tais estruturas as ações elétricas desempenham uma função
importante, com a influência dos íons presentes no meio da sedimentação.
� Esquelética – nos solos onde, além dos grãos finos existentes, existem grãos
maiores (argilas marinha).
Estrutura dos solos
Estrutura dos solos
Floculada e agregada
Floculada e dispersaAgregada e defloculada