Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
20/03/17 1 Composição química e mineralógica dos solos Mecânica dos Solos 1 Prof. J.F.T.Jucá UFPE-‐DEC-‐2017.1 Principais minerais formadores das rochas Mineral: substância inorgânica e natural, com compos ição química e estrutura definidas. As p rop r i edades f ís icas de maior interesse para a engenharia são a densidade e dureza. Minerais silicatos correspondem a aproximadamente 92% dos minerais constituintes da crosta terrestre 20/03/17 2 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. Secundários: quando são formados na decomposição da rocha. Ex: minerais argílicos, hemaRta. Mineral: substância inorgânica e natural, com composição química e estrutura definidas. As propriedades Vsicas de maior interesse para a engenharia são a densidade e dureza. As rochas, em geral, são formadas basicamente por: Ø Quartzo: é um dos minerais mais resistentes ao intemperismo, estável, óRma resistência e compressão (SiO2 -‐ dióxido de silício); é o mineral mais abundante na crosta terrestre. Ø Feldspato: silicato de alumínio, de ferro etc – é a parte fraca da rocha, facilmente atacável produzindo compostos solúveis; Ø Mica: sob certas condições são atacáveis, noutras não. Apresentam-‐se na forma de palhetas ou escamas brilhantes. Os principais Rpos são a muscovita (branca) e a bioRta (preta). Principais minerais componentes dos solos grossos: Silicatos: feldspato, mica, quartzo, talco, etc; Óxidos : hemaRta, magneRta, limonita, etc; Carbonatos: calcita, dolomita, etc; Sulfatos: gesso, anidrita, etc. • Comportamento mecânico e hidráulico relacionado principalmente à compacidade e orientação das parbculas; a composição mineralógica é, até certo ponto, secundária. • CaracterísRcas Vsicas determinadas principalmente pelo tamanho das parbculas, forma, textura superficial e distribuição de tamanho. Solos Grossos 20/03/17 3 Minerais ConsCtuintes dos Solos Finos - Entre os 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 influído 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. Existem dois tipos de Lâminas Silício Alumínio Folha Silícica Folha Alumínica Oxigênio Composição Química e Mineralógica dos Solos Os tetraedros agrupam-‐se em unidades hexagonais, sendo a ligação entre dois tetraedros, feita pelo vérCce (oxigênio). As unidades hexagonais repetem-‐se indefinidamente, formando uma reOcula laminar. As lâminas alumínicas estão formadas por reOculas de octaedros, tendo também como ligação o oxigênio. Minerais Argílicos Unidades cristalográficas fundamentais: Sílica Gibsita Tetraedro de silício Octaedro de alumínio Representação esquemáRca: 20/03/17 4 Minerais Argílicos Ø Caulinita Ø Montmorilonita Ø 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: Consiste na repeCção de camadas de lâminas Sílica-‐gipsita elementares da rede 1:1 Em conseqüência da estrutura rígida, são relaCvamente estáveis em presença da água. Sendo considerada não expansiva em processo de saturação. É o argilomineral mais comum encontrado nos solos residuais. É estável e não caracteriza o solo como problemáCco, principalmente no que se refere a caracterísCca de plasCcidade e expansão. Caulinitas Lâmina de Sílica Lâmina gibsita 7,2 Å 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 sondagens e 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 as infiltrações nas formações permeáveis, servindo como elemento estabilizador da perfuração, etc. Montmorilonitas Lâmina de Sílica Lâmina gibsita Lâmina de Sílica Lâmina de Sílica Lâmina gibsita Lâmina de Sílica nH2O e cátions intercambiáveis 20/03/17 5 Possuem estrutura análoga à das montmorilonitas sendo porém menos expansivas em virtude da ligação de potássio. As parOculas das ilitas são extremamente pequenas, portanto, sem condições de definir um contorno ou forma. Todavia, a microscopia eletrônica tem mostrado que as parOculas da ilita e montmorilonita têm a forma de “flocos achatados” 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 super]cie específica de 80 m2/g A carga negaCva para equilibrar os íons de potássio vem da subsCtuição do alumínio por algum silício nas unidadestetraedricas. K Ilitas Lâmina de Sílica Lâmina gibsita Lâmina de Sílica Lâmina de Sílica Lâmina gibsita Lâmina de Sílica 10 Å 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 permiRr a penetração de moléculas de água entre elas. Em consequência as caulinitas são relaRvamente estáveis em presença de água. Montmorilonita: uma camada é consRtuída 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. As moléculas de água e os cáRons intercambiáveis podem entrar entre elas. Normalmente apresentam expansão. Ilita: estrutura cristalina semelhante a montmorilonita (2:1), com uma subsRtuição maior de alumínio por silício e um cáRon neutralizante de potássio. As camadas estruturais são muito ligadas entre si e, portanto, expandem menos que as montmorilonitas. Caulinita Montmorilonita Ilita • Difração de Raios-X • Análise Térmica Diferencial (ATD) • Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) • Análise Química Técnicas para IdenCficação da Espécies Mineralógicas 20/03/17 6 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 450,0 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 2 in te ns id ad e quartzo quartzo mica quartzo mica Difração de Raios-X Análise Térmica Diferencial -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperatura (ºC) D t ( ºC ) 0 5 10 15 20 25 30 35 D m (% ) ATD ATG Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) 1 µm = 10-‐6m 20/03/17 7 Superfície Específica Superfície específica: É a soma das superfícies de todas as partículas contidas na unidade de peso (ou de volume) do solo É a soma das superVcies de todas as parbculas conRdas na unidade de peso (ou de volume) do solo. Para o caso de uma parbcula esférica, teríamos: No caso dos minerais argílicos as superVcies específicas assumem valores maiores. Areia (d = 0,1mm) 0,03m2/g M i n e r a i s Argílicos Caulinita 10 m2/g Ilita 80 m2/g Montmorilonita 800 m2/g Quanto mais fino o solo, maior sua superVcie específica, isto consRtui uma das diferenças entre os solos arenosos e argilosos. A superVcie específica, também, é relacionada à forma dos grãos. A forma lamelar das argilas é a causa da sua maior superVcie específica. )/(3 34 4 32 3 2 cmcm rr rS = ⋅⋅ ⋅⋅ = π π Valor da Super]cie Específica 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 20/03/17 8 Estrutura Laminar dos Minerais Capacidade de Troca CaRônica – CTC em miliequivalentes por 100g CTC é o número de cáRons solúveis para aRngir um equilíbrio elétrico ARvidade dos Solos Finos • ARvidade = IP/ % de solos finos (<2 micra) Mineral ACvidade 20/03/17 9 Algumas caracterísCcas ]sica 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 hidrostáRco 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 sêco 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. Fonte: Mouta, 2012 ParOcula de argila e a água Água livre São aquelas que podem ser retiradas com aquecimento a 105-110oC. Água higroscópica Água capilar 20/03/17 10 A invesRgação 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 consRtuição mineralógica. As argilas são consRtuídas de pequenos minerais cristalinos, denominados minerais argílicos, os quais ordinariamente têm células unitárias com carga residual negaRva. De acordo com a estrutura reRcular os minerais de argila consRtuem três grupos: -‐ Caulinitas, Montmorilonitas e Ilitas. Interação Água – Solos Finos (Argilas) Influencia bastante nas propriedades das argilas. Uma montmorilonita sódica é muito mais expansiva e quimicamente aRva do que uma montmorilonita cálcica. (a espessura da dupla camada é maior para cáRons monovalentes do que para cáRons bivalentes). CáCons trocáveis (Na+, K+, Ca+2, Mg+2) Teoria a dupla camada Dimensão dos grãos (Cpos desolos) A medida do tamanho relaCvo 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 0,005mm Dimensão dos grãos (Cpos 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 plasCcidade). São chamados de solos grossos. Apresenta alta permeabilidade. Siltes e argilas: são chamados solos finos. 20/03/17 11 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). Fonte: Mouta, 2012 Formas das parOculas 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 (plasRcidade, coesão, etc). Fração areia (0,075<φgrão mm<2) Bem arredondado Arredondado Subarredondado Angular Subangular Obtenção por lupa binocular Formas das parOculas -‐ Areias 20/03/17 12 Formas das parOculas -‐ Argilas Caulinita Ilita Montmorilonita Forma lamelar Meio contínuo com “aberturas” interconectadas por onde o fluído passa. Por simplicidade podemos dividir os solos em dois tipos: Areias Argilas A Natureza da Estrutura dos Solos Areias Argilas Partículas macroscópicas Partículas microscópicas Drenam facilmente Baixa permeabilidade Baixa ascensão capilar Elevada ascensão capilar Não contraem Expandem e contraem 20/03/17 13 Distribuição Granulométrica V V n v= s v V V e = Porosidade Índice de Vazios Condutividade hidráulica V e eVv + = 1 V e Vv + = 1 )1cm(V 24.0 322.0 476.0 6 1 33 == = =−= cmV e n v π )1cm(V 17.0 206.0 26.0 6 21 33 == = =−= cmV e n v π É o arranjo ou a disposição das partículas constituintes entre si. Tipos de estruturas Ø Granular simples (areias e pedregulhos) – predominância das forças da gravidade na disposição das partículas, que se apoiam umas sobre as outras. A estrutura pode ser mais ou menos densa. Ø 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 naturais Ø Floculada (argilas) – em tais estruturas as ações elétricas desempenham uma função importante, com a influência dos íons presentes no meio da sedimentação. Ø Esquelética – ( todos os solos) onde, atuam todas as forças e se apresentam vários arranjos (ex. argilas marinha). Estrutura dos solos 20/03/17 14 Estrutura dos solos naturais Floculada e agregada Floculada e dispersa Agregada e defloculada Estrutura Solos Forças predominantes Croqui Granular Simples Pedregulhos e Areias grossas Peso ou massica Alveolar (favo de abelhas) Areias finas e siltes Atração molecular Floculada Argilas Forças elétricas Esqueleto Todos Todas Todas RESUMO DAS ESTRUTURAS DOS SOLOS NATURAIS Amolgamento dos Solos Tipos de Amostras • Amostras Amolgadas -Estrutura do solo destruída; -Variação na umidade ou índice de vazios; -Sem variação nos constituintes do solo. • Amostras Indeformadas -Sem destruição (amolgamento) da estrutura do solo; -Sem variação na umidade, índice de vazios e composição química - Pode ter variações nos constituintes do solo. • Alteração na Resistencia dos Solos 20/03/17 15 • Fatores Causadores do Amolgamento (JAMIOLKOWSKI et al., 1985) -Variação nas tensões devido a abertura do furo; -Remoção das tensões cisalhantes de campo; -Geometria e tipo de amostrador; -Método de cravação do amostrador; -Relação entre o diâmetro do amostrador e do corpo de prova; -Transporte, armazenagem e manuseio no laboratório. Amolgamento das Amostras
Compartilhar