Apostila Mecanica dos solos I Aula 3

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Universidade Federal do Ceará 
Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental 
Curso: Engenharia Civil 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mecânica dos Solos I 
Aula: Propriedades das Partículas Sólidas dos Solos 
Tamanho, constituição mineralógica e as formas dos grãos de 
solo. 
Bibliografia: Souza Pinto (2006) e Braja Das (2011) 
 
 
 
 
 
Professora: 
Profª. Mariana Vela Silveira 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2018.2 
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Sumário 
1. Introdução ............................................................................................................... 3 
2. Tamanho das partículas ......................................................................................... 3 
3. Constituição Mineralógica ..................................................................................... 6 
3.1 Argilominerais ...................................................................................................... 7 
4. Forma das Partículas ........................................................................................... 11 
EXERCÍCIOS ................................................................................................................. 12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. Introdução 
 
O solo é um meio particulado, ou seja, ocorre sob a forma de partículas (grãos de solo) 
de diversa constituição mineral e com uma enorme gama de dimensões (fase sólida). Os 
espaços localizados entre essas partículas são chamados vazios. As partículas 
inorgânicas que compõem a fase sólida do solo têm sua origem imediata ou remota, na 
decomposição pela ação do intemperismo das rochas que constituíam inicialmente a 
crosta terrestre. 
 
A decomposição das rochas ocorre por desintegração mecânica através de agentes como 
água, vento, variações de temperatura e vegetação formando os solos de partículas 
grossas e somente em condições especiais os solos de partículas finas ou por 
decomposição química, cujo principal agente é a água, que através dos mecanismos de 
ataque de oxidação, hidratação e carbonatação, além dos efeitos químicos da vegetação, 
modificam quimicamente ou mineralogicamente as rochas de origem formando os solos 
de partículas finas. 
 
A importância de conhecer as partículas do solo vem do fato de que muitas das 
propriedades físicas dos solos são determinadas pelo tamanho, formato e composição 
química dos seus grãos, sem falar que seu conhecimento fornece uma orientação quanto 
ao comportamento hidro-mecânico do solo. 
 
 
2. Tamanho das partículas 
 
O tamanho das partículas é a primeira característica que diferencia os solos. O tamanho 
das partículas que compõem o solo varia amplamente. Alguns grãos são perceptíveis a 
olho nu (pedregulho, areia) e outros são tão finos que quando molhados formam uma 
pasta, não sendo possível visualizar as partículas individuais (argilas). 
 
O tamanho relativo dos grãos que formam a fase sólida dos solos é chamado de textura. 
Denominações específicas são empregadas para as diversas faixas de tamanho dos 
grãos. Comumente são adotadas as denominações: pedregulho, areia, silte e argila. Os 
limites das faixas granulométricas variam conforme o sistema de classificação. A Figura 
3 apresenta os limites de tamanho das partículas desenvolvidos por algumas 
organizações. O Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS) é aceito de 
maneira quase universal e foi adotado pela Sociedade Americana para Testes e 
Materiais (ASTM). 
 
Diferentemente da terminologia da ABNT a separação entre as frações silte e areia é 
frequentemente tomadas como 0.075mm que é a peneira mais fina utilizada em 
laboratório. O conjunto silte e argila é denominado de fração fina do solo e o conjunto 
areia e pedregulho de fração grosseira do solo. A fração argila é considerada com 
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frequência com a fração abaixo de 0.002mm que corresponde ao tamanho mais próximo 
das partículas de constituição mineralógica dos minerais argílicos (argilominerais). 
 
Figura 1 - Diferentes tamanhos de partículas do solo 
 
 
Figura 2 - Esquema comparativo do tamanho das partículas 
 
Em um solo geralmente há grãos de diversos tamanhos. A identificação pode não ser tão 
simples, pois pode haver grãos menores envoltos em grãos maiores (formação de 
grumos). A análise da distribuição das dimensões dos grãos, denominada análise 
granulométrica, objetiva determinar uma curva granulométrica. Esse ensaio tem 
procedimento normatizado pela ABNT NBR 7181. 
 
O solo geralmente recebe a denominação pedregulho, areia, silte ou argila, dependendo 
do tamanho predominante das partículas presentes. Um cuidado deve ser tomado 
quando se utiliza o termo argila. Como apresentado, as argilas geralmente são definidas 
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como partículas menores que 0.002mm. Nessa dimensão podem ser encontradas 
partículas de argilominerais (essencialmente), outros minerais que não são 
argilominerais (quartzo, mica, pirita, hematita, etc), matéria orgânica e outras 
impurezas. 
 
 
 
Figura 3 - Limites das frações de solo pelo tamanho dos grãos. 
 
No entanto, as argilas foram definidas como partículas que "desenvolvem plasticidade 
ao serem misturadas a uma quantidade de água limitada" (a plasticidade é a propriedade 
que as argilas possuem de se tornarem uma massa plástica quando contêm certa 
quantidade de água). Apenas os argilominerais apresentam esta propriedade. Graças aos 
argilominerais, as argilas na presença de água desenvolvem uma série de propriedades 
tais como: plasticidade, resistência mecânica a úmido, retração linear de secagem, 
compactação, tixotropia e viscosidade de suspensões aquosas que explicam sua grande 
variedade de aplicações tecnológicas. 
 
Dessa maneira, é adequado que as partículas de solo menores que 0.002mm sejam 
chamadas de partículas com tamanho de argila e não de argila, como definido em 
sistemas diferentes. "Todo argilomineral é uma argila, mas nem toda a argila é um 
argilomineral". 
 
Nos solos finos, devido a reduzida dimensão das partículas (maior superfície 
específica), desenvolvem-se entre elas forças importantes, tomando como comparação 
as forças que nelas atuam devido a gravidade. Quando aumenta o tamanho das 
partículas para o correspondente a dimensão areia verifica-se que o valor das forças 
entre partículas perde significado face ao valor das forças gravíticas. 
 
Os solos grossos (areia e pedregulho) tem um comportamento que depende 
fundamentalmente da granulometria (tamanho dos grãos) - mineral mais estável e maior 
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influencia das forças gravíticas. Tendo a umidade um efeito secundário no 
comportamento desses solos, podendo ser negligenciado. Para a classificação desses 
solos basta a realização do ensaio de granulometria. 
 
Quanto aos argilominerais, não só o reduzido tamanho, mas principalmente a 
constituição mineralógica, faz com que essas partículas tenham um comportamento 
extremamente diferenciado em relação aos grãos de silte e areia. 
 
É no domínio dos solos finos que há maior ligação entre composição mineralógica e 
comportamento. A composição mineralógica pode explicar, ou ajudar a explicar o 
comportamento dos solos (explica, mas não quantifica). Como por exemplo, a da 
constituição esmectita da argila lhe poder conferir elevada expansibilidade. 
 
Além do mais, os materiais finos devido sua constituição mineral e finura e 
consequentemente sua alta superfície especifica sofrem marcada influencia no 
comportamento quando na presença de água. Para a sua classificação
não basta o 
conhecimento da granulometria, mas também o conhecimento da composição 
mineralógica. 
 
3. Constituição Mineralógica 
 
Mineral é toda substância homogênea, sólida ou líquida, de origem inorgânica que surge 
naturalmente na crosta terrestre. Normalmente com composição química definida e, 
se formado em condições favoráveis, terá estrutura atômica ordenada condicionando 
sua forma cristalina e suas propriedades físicas (constituintes sólidos dos solos). 
 
A Série de Reação de Bowen explica a relação da taxa de resfriamento do magma com a 
formação de diferentes tipos de rochas, descrevendo a sequencia na quais novos 
minerais são formados à medida que o magma resfria. A série de reação de Bowen 
fornece também a susceptibilidade ao intemperismo dos elementos que formam as 
rochas. Os minerais formados a altas temperaturas na série de reação de Bowen são 
menos resistentes a erosão do que aqueles formados a temperaturas mais baixas. 
 
Os minerais encontrados no solo podem ser classificados em minerais primários ou 
secundários. Minerais primários quando resultantes de um processo de desintegração 
física sendo são os mesmos encontrados na rocha-mãe (diretamente da rocha Ex.: micas, 
feldspatos, quartzo, etc) e secundários quando resultantes de um processo de 
decomposição química, onde os minerais primários são transformados em um outro 
mineral não encontrado na rocha de origem (Ex.: caulinita, vermiculita, esmectita, 
clorita). 
 
As partículas resultantes de desagregação das rochas dependem da composição da rocha 
matriz. Os principais minerais componentes dos solos são: 
- Silicatos: feldspato, mica, quartzo, serpentina. 
7 
 
- Óxidos: hematita, magnetita. 
- Carbonatos: calcita e dolomita. 
- Sulfatos: gesso. 
 
Os silicatos são os minerais do solo mais abundantes, mais comuns e mais importantes, 
sendo o quartzo o mineral mais resistente à decomposição física e química, enquanto o 
feldspato pode se alterar através da decomposição e se tornar um mineral argílico. 
 
O quartzo, presente na maioria das rochas, é bastante resistente à desagregação e forma 
grãos de silte e areia. A composição é sílica (SiO2) que são partículas equidimensionais 
(cubos e esferas) que apresentam baixa atividade superficial. Seus cristais apresentam 
forma de um prisma hexagonal. O quartzo pode ser encontrado tão suficientemente 
pequeno para estar na classificação das argilas, mas apenas partículas que desenvolvem 
plasticidade na presença de água é que são definidas como argilas, que é o caso dos 
argilominerais. 
 
Os feldspatos (silicatos duplos de Al e de K, Na ou Ca) são os minerais mais atacados 
pelo intemperismo, originando os argilominerais, que constituem a mais fração fina do 
solo. A constituição mineralógica e o tamanho reduzido destas partículas fazem com 
que tenham um comportamento muito diferenciado em relação aos grãos de areia e silte. 
 
As micas são ortossilicatos de Al, Mg, K, Na ou Li. Distinguem-se por suas lâminas 
delgadas e flexíveis e por clivagem fácil. Ex: moscovita e biotita. 
 
A goethita e a hematita são os óxidos de ferro mais abundantes no solo, fornecendo a 
eles a coloração amarela e avermelhada respectivamente, é resultado do processo de 
intemperismo das rochas com minerais como olivina, feldspato plagioclásio e piroxênio 
localizadas nas regiões subtropicais e tropicais do planeta. 
 
3.1 Argilominerais 
 
A formação de um determinado tipo de argila não depende somente da composição 
química da rocha de origem, como também do pH do ambiente de deposição (acido ou 
alcalino) e da condição de drenagem (eficiente/deficiente) - lixiviação de componentes 
químicos (sais minerais). 
 
A estrutura dos argilominerais é bastante complexa. Para exemplificar as diferenças de 
comportamento dos solos argilosos na presença da água, três tipos de argilominerais são 
apresentados: caulinita, ilita e esmectita (montmorilonita) (os três tipos principais de 
argilas que ocorrem na natureza). 
 
 
 
 
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Estes argilominerais são silicatos hidratados de alumínio, compostos basicamente por 
dois tipos de estruturas: 
1) Tetraedros justapostos num plano com um átomo de silício ligado a quatro 
átomos de oxigênio (SiO4) e; 
2) Octaedros em que átomos de alumínio são circundados por oxigênio ou 
hidroxilas [Al(OH)3]. 
 
 
 
Figura 4 - Unidades cristalográficas básicas 
 
 
 
 
 
 
 (a) (b) 
Figura 5 - Representação simbólica; (a) tetraedro, (b) octaedro. 
 
A caulinita (Figura 6a) é formada pela intercalação sucessiva de uma camada tetraédrica 
e uma octaédrica unidas por ligações de hidrogênio que impedem sua separação e a 
introdução de moléculas de água entre si. Já a ilita (Figura 6b) e a esmectita (Figura 6c) 
são formadas pela intercalação sucessiva de uma camada octaédrica entre duas camadas 
tetraédricas. Nesta configuração, a união entre as camadas tetraédricas são mais fracas, 
permitindo a entrada de moléculas de água. 
 
 
 
 
 
 
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(a) (b) (c) 
Figura 6 - Estrutura dos argilominerais; (a) Caulinita, (b) Ilita, (c) Esmectita. 
 
a) Caulinita: 
- Argilos-minerais formados por uma camada tetraédrica e uma octaédrica 
(Estrutura 1:1); 
- As camadas são fortemente ligadas com ligações de hidrogênio (O
2+
 do arranjo 
tetraédrico e OH
-
 do arranjo octaédrico) que impedem a separação entre as moléculas e 
que entre elas se introduzam moléculas de água. 
- mais comum em regiões com elevada precipitação pluviométrica. 
- não expansivo 
- Dentre os três argilominerais apresentados é o que apresenta menor plasticidade 
e coesão. 
- superfície específica (área da superfície total/dividida pelo peso ou volume): 
10m²/g 
- origina-se a partir de qualquer tipo de rocha 
- distância basal 7.0 angstrons (10
-10
m) 
- maior estabilidade física 
- menor erodibilidade; maior compactação e menor infiltração. 
 
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Figura 3 – Estrutura de uma camada de caulinita: (a) atômica e (b) molecular 
 
c) Ilita: 
- Possui a mesma estrutura das esmectitas (2:1); 
- Entretanto, as ligações entre as camadas tetraédricas ocorrem por meio de íons de 
potássio (K), que impedem a expansão (além das ligações de O
2+
 e O
2-
); 
- Superfície específica em torno de 80 m²/kg. 
- parcialmente expansivo 
- distância basal 10 angstrons (10
-10
m) 
- Origina-se das rochas ígneas sendo comum em solos originários de rochas 
graníticas. 
 
b) Esmectitas (montmorilonitas): 
- Argilominerais formados por duas camadas tetraédricas e uma octaédrica 
(estrutura 2:1); 
- As camadas são ligadas na estrutura tetraédrica (O
2+
 e O
2-
), sendo estas ligações 
mais fracas que as da caulinita. 
- Apresentam superfície de 800m²/kg, muito superior aos da ilita e da caulinita 
resultando em um comportamento diferenciado. 
- muito expansivos 
- distância basal 10 a 20 angstrons (10
-10
m) 
- comuns em solos jovens 
- provoca rachaduras em solos 
- origina-se primariamente das rochas ígneas 
- a tendência de expansão e contração requer atenção especial na engenharia 
ambiental e geotécnica, pois tem efeitos físicos que limitam o manejo e a execução de 
obras de engenharia 
 
 
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Figura 7 - Estrutura simbólica de minerais com camadas 2:1; (a) esmectita com
camadas de água e (b) ilita. 
 
Dentre os argilominerais citados acima, a montmorilonita (esmectita) é a que apresenta 
maiores plasticidade e coesão, ou seja, mais instável devido a expansão que a estrutura 
sofre com a entrada de moléculas de água entre as camadas de tetraédricas, e as 
caulinitas, menos instáveis. 
 
Outros argilominerais são encontrados na natureza, como as halloysitas, presentes nas 
argilas marinhas, as gibsitas, presentes nos solos lateríticos, o caolim que pertence ao 
grupo das caulinitas, a nontronita (extremamente expansiva) encontrada nas fissuras de 
decomposição do basalto, e a sericita, de estrutura semelhante a da ilita. 
 
De particular interesse, a respeito dos solos das regiões de clima tropical, a fração argila 
é dominada por argilominerais cauliníticos, resultado do avançado grau de 
intemperização. A presença de montmorilonita nestes solos indica um estágio de 
intemperismo intermediário, mostrando que eles têm ainda uma tendência de evoluírem 
para estádios mais avançados principalmente porque as condições não favorecem sua 
estabilidade. 
 
4. Forma das Partículas 
 
A forma das partículas presentes em uma massa de solo tem a mesma importância da 
distribuição granulométrica, porque tem influencia significativa sobre as propriedades 
físicas de determinado solo. No entanto, não é dada muita atenção à forma da partícula 
porque é mais difícil de determinar. A forma da partícula geralmente pode ser dividida 
em três principais categorias: 
- volumosa (poligonais): formadas principalmente pelo intemperismo mecânico de 
rochas e minerais, predominam nos pedregulhos, areias e siltes. O formato das 
partículas volumosas pode ser angular, subangular, subarredondado e arredondado. 
Pequenas partículas de areia localizadas próximas de sua origem são geralmente muito 
angulares. As partículas de areia carregadas pelo vento e pela água, por longas 
distâncias, podem apresentar formatos que vão desde o subangular ao arredondado. O 
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formato de partículas granulares em uma massa de solo exerce grande influencia sobre 
as propriedades físicas, como o índice de vazios máximo e mínimo, parâmetros de 
resistência ao cisalhamento, compressibilidade, etc. As partículas poligonais (areia) 
apresentam menor superfície específica que as lamelares (argila), proporcionando às 
areias atrito interno. 
- lamelar: possuem duas dimensões predominantes (forma de placa), típicas de solos 
argilosos e micas. Esta forma das partículas das argilas responde por alguma de suas 
propriedades, como por exemplo, a compressibilidade e a plasticidade, esta última, 
uma das características mais importantes; 
- fibrilar: possuem uma dimensão predominante e são muito menos comuns que os 
outros dois tipos de partículas. Alguns depósitos de corais e solos altamente orgânicos 
(turfas) são exemplos de solo contendo partículas fibrilares. 
 
EXERCÍCIOS 
 
1. Quanto ao tamanho das partículas de solo, quais são os tipos de solos existentes? 
2. Por qual motivo a separação entre as frações silte e areia é frequentemente tomadas 
como 0.075mm, diferentemente da terminologia da ABNT? 
3. Para a classificação dos solos grossos basta a realização do ensaio de granulometria, 
diferentemente do que acontece para os solos finos. Explique 
4. Quais os principais minerais constituintes dos solos grossos? 
5. O que são argilominerais? Cite propriedades dos solos finos que podem ser 
associadas às características peculiares destes argilominerais. 
6. Explique a seguinte afirmação "Todo argilomineral é uma argila, mas nem toda a 
argila é um argilomineral". 
7. Quais os principais argilominerais constituintes dos solos finos? Qual a diferença 
entre eles quanto a estrutura e como isso afeta o comportamento deles na presença da 
água? 
8. A presença de um determinado argilomineral em um solo fornece informações quanto 
ao grau de intemperismo deste. Quanto a isso, o que sugere a presença da caulinita e da 
esmectita no solo. 
9. Defina Superfície Específica. Por que este parâmetro é utilizado para comparar os 
argilominerais. 
10. Quanto a forma das partículas, quais são os tipos e em que faixa de tamanho de 
grãos são comumente encontrados? 
11. Que relação poderia ser feita entre tipo de intemperismo, tamanho dos grãos, 
constituição mineralógica e forma dos grãos?