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ADSORÇÃO DE AZUL DE METILENO Resumo Conhecer as propriedades do argilomineral e identificá-lo é de suma importância para caracterização do comportamento físico-químico da fração fina dos solos, devido à influência de suas propriedades na execução de obras de engenharia e serviços geotécnicos. O ensaio de adsorção de azul de metileno proposto por Pejon (1992) é considerado um método simples, expedito e econômico que consegue suprir a necessidade de se caracterizar determinadas propriedades do material de granulação fina dos solos. Neste trabalho foi realizada a caracterização dos argilominerais predominantes em duas amostras fornecidas, por meio do ensaio de adsorção do azul de metileno. A partir dos resultados do ensaio foi possível obter parâmetros tais como capacidade de troca catiônica (CTC), o valor de azul de metileno (Vb), a superfície específica do material (SE) e a atividade da fração argila (Acb), que possibilitaram a classificação dos materiais presentes na amostra como Montmorilonita e Caulinita. Os valores encontrados para as curvas dos argilominerais foram coerentes, uma vez que os valores se mantiveram crescentes e próximos a uma reta, à medida que se aumentava a porcentagem de argila. Palavras chave: argilominerais, adsorção, azul de metileno. LISTA DE FIGURAS Figura 1: Aparelhagem utilizada para realização do ensaio ........................................... 3 Figura 2: Amostras recebidas para a realização do ensaio ............................................. 4 Figura 3: Procedimento de realização do teste ............................................................... 5 Figura 4: Marcas do azul de metileno deixadas no papel filtro ...................................... 6 Figura 5: Gráfico de Vb x % Argila para os resultados obtidos de cada amostra ........ 10 Figura 6: Gráfico do tipo argilomineral com as retas referentes às Argilas A e B plotadas ..................................................................................................................................... 11 Figura 7: Identificação da atividade da fração argila das amostras .............................. 12 Figura 8: Análise do comportamento laterítico (por meio de Vb) das amostras analisadas .................................................................................................................................. 13 Figura 9: Análise do comportamento laterítico (por meio de Acb) das amostras analisadas .................................................................................................................................. 14 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Porcentagem de argila nas amostras ensaiadas ............................................. 4 Tabela 2 – Resultados obtidos para as amostras ensaiadas ............................................ 9 Tabela 3 – Composição mineralógica da fração argila referente a cada reta traçada no gráfico da Figura 6 .................................................................................................................... 11 Tabela 4 – Composição adotada para a fração argila A e B ......................................... 12 LISTA DE SÍMBOLOS E UNIDADES % Arg - Percentagem de argila; A – Área da face da molécula de azul; Acb – Atividade da fração de argila; C – Concentração da solução; CTC – Capacidade de troca de cátions; M – Massa de solo seco; m – Massa de azul de metileno seco; Mam – massa molecular do azul de metileno na forma anidra; N – Número de Avogrado; SE – Superfície específica do material; SEA – Superfície específica recoberta por 1ml da solução de azul de metileno; V – Volume da solução de azul; Vb – Valor de azul de metileno. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 1 2 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................... 2 2.1 APARELHAGEM UTILIZADA ...................................................................... 2 2.2 PREPARAÇÃO DA AMOSTRA ..................................................................... 3 2.3 PROCEDIMENTO ........................................................................................... 4 3 EQUACIONAMENTO ............................................................................................ 6 3.1 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS (CTC) ........................................ 6 3.2 SUPERFÍCIE ESPECÍFICA (SE) .................................................................... 7 3.3 VALOR DE AZUL DE METILENO (Vb) ...................................................... 8 3.4 ATIVIDADE DA FRAÇÃO ARGILA (Acb) .................................................. 8 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................. 9 5 CONCLUSÃO ....................................................................................................... 15 REFERÊNCIAS ........................................................................................................... 17 1 1 INTRODUÇÃO As argilas são constituídas de partículas de dimensões inferiores a 0,002mm, denominadas argilominerais, além de quartzo, feldspato e mica, sais solúveis e matéria orgânica. Os argilominerais são basicamente silicatos hidratados, pertencentes à classe dos filossilicatos, de alumínio e/ou ferro e magnésio, podendo conter ainda, como componentes essenciais, um certo teor de elementos alcalinos ou alcalinos-terrosos. Apresentam uma estrutura cristalina definida, cujos átomos são dispostos na forma de folhas, que se combinam em camadas alternadas, compostas por tetraedros de oxigênio e silício ou alumínio e octaedros de oxigênio com o centro ocupado por cátions de alumínio, ferro e magnésio (SANTOS, 1989). A propriedade mais importante dos argilominerais é a capacidade de mudar de volume pela sorção de moléculas de água ou outros íons polares em sua estrutura. Por possuir diâmetro muito pequeno e forma cristalográfica em folhas, o argilomineral possui área superficial muito grande e isto lhe confere propriedade de adsorção de água. A expansibilidade dos argilominerais é um dos fatores mais importantes que influenciam o comportamento dos materiais argilosos em solos e a durabilidade dos materiais rochosos. Consequentemente, está associada a danos em obras de engenharia, podendo colocá-las em risco, causando degradações rápidas e importantes, como o aparecimento de trincas e rachaduras nas construções, rupturas de aterros e taludes de corte, trincas e danos nos pavimentos, desabamentos em túneis, etc; além do alto custo para manutenção das obras (PEREIRA, 2004). Segundo Vargas (1977) a presença dos argilominerais no solo, contribui de forma geral na plasticidade, coesão, bem como no comportamento expansivo de certos solos argilosos. Isto ocorre devido à adsorção do cátion, ou seja, os argilominerais apresentam capacidade de sorção de ânions e cátions em posições de troca. Desta forma, o potencial de expansão do solo esta atrelado principalmente ao arranjo estrutural de seus argilominerais e à sua capacidade de troca catiônica (CTC). Portanto, conhecer as propriedades do argilomineral e identificá-lo é de suma importância para caracterização do comportamento físico-químico da fração fina dos solos. O 2 tipo do argilomineral pode ser determinado pelo ensaio de adsorção de azul de metileno, proposto por Pejon (1992). O corante denominado “azul de metileno” é o cloridrato de metiltiamina, de composição química C16H18SN3Cl·3H2O.Trata-se de um corante catiônico, que em solução aquosa, dissocia-se em ânions cloreto e cátions “azul de metileno”. Esse corante orgânico é adsorvido pelo solo, quando em meio aquoso, formando uma camada monomolecular quase que completa sobre a superfície dos argilominerais, permitindo, desta forma, uma vez conhecida as dimensões da sua molécula, conhecer-se a área total recoberta, ou seja, possibilita a determinação da superfície específica (área interna + área externa) dos argilominerais que compõem um solo. O método de adsorção de azul de metileno também permite a determinação da capacidade de troca de cátions (CTC) dos argilominerais. O cátion azul de metileno substitui os cátions adsorvidos nos argilominerais, ocorrendo um processo de adsorção irreversível, caracterizando-se como uma boa forma de medida de capacidade de troca catiônica (CTC). Dado o tamanho do cátion azul de metileno, a velocidade de troca ou adsorção decresce à medida que as posições de troca vão sendo preenchidas. Contudo, ao final do processo a troca é total e cada molécula ocupa uma área de 132A². Sabendo-se isso e mais a quantidade adsorvida, pode-se calcular a capacidade catiônica (CTC) e a superfície específica (SE) do material analisado (PEJON, 1992). Este relatório é referente à caracterização dos argilominerais de dez amostras de solo, divididas em cinco grupos, com diferentes frações de argila, com objetivo de determinar a CTC, a superfície específica e atividade dos argilominerais, por meio do ensaio de adsorção de azul de metileno, proposto por Pejon (1992). 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 APARELHAGEM UTILIZADA Agitador magnético; Becker de 100ml; Becker de 400ml; Bastão de vidro; Proveta plástica de 50ml; 3 Papel de filtro Watmann’s 42; Bureta graduada de 50ml; Solução de azul de metileno; Suporte universal; Pisseta com água destilada; Cronômetro; Balança de precisão 0,01g. Na Figura 1 é apresentada a aparelhagem utilizada para realização do ensaio. Figura 1: Aparelhagem utilizada para realização do ensaio 2.2 PREPARAÇÃO DA AMOSTRA Foram fornecidas duas amostras por grupo, para realização do ensaio (Figura 2). 4 Figura 2: Amostras recebidas para a realização do ensaio Os procedimentos para preparação das amostras foram os seguintes: Secagem da amostra ao ar, até a obtenção de um peso constante; Homogeneização adequada da amostra; Determinação da umidade do material; Através da porcentagem de argila identificada na amostra, pesagem da quantidade de 0,5 a 1,0 grama equivalente de argila. As amostras fornecidas para realização do ensaio já estavam secas, não sendo necessária a determinação da umidade do material. O mesmo procedimento de preparação foi realizado pelos outros grupos, com materiais que possuíam diferentes porcentagens de argila, conforme apresentado na Tabela 1. Tabela 1 – Porcentagem de argila nas amostras ensaiadas Amostra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 % Argila 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 2.3 PROCEDIMENTO Cada amostra foi colocada em um becker de 100 ml ou 400ml, onde foram adicionados 10 ml de água destilada. O becker foi posicionado sobre o agitador magnético e mantido em agitação por três minutos. 5 À mistura contida no becker, foi adicionada a quantia de 1 ml da solução de azul de metileno (na concentração de 1,5g/l). A suspensão (constituída por solo, água e azul de metileno) foi mantida em agitação constante por 30 segundos. Em seguida, foi retirada com auxílio do bastão de vidro uma gota de suspensão e colocada sobre o papel de filtro, deixando no mesmo uma marca (Figura 3). Figura 3: Procedimento de realização do teste Caso o teste acusasse negativo (não aparecesse uma auréola de cor azul clara na marca), era adicionado mais 1 ml da solução de azul de metileno à mistura contida no becker, que continuava em agitação por mais 30 segundos, e novamente era observado o comportamento da marca no papel de filtro. O procedimento foi repetido até que alcançado resultado positivo, com aparecimento da auréola azul clara na marca. Quando obteve-se resultado positivo para o teste, e após aguardados mais 3 minutos para uma nova realização, se o mesmo foi mantido positivo, o ensaio foi dado como encerrado, indicando que toda a capacidade de adsorção da argila havia sido atingida. Caso obtido resultado negativo, adicionou-se mais 1 ml da solução de azul de metileno e prosseguiu-se o ensaio até novo teste positivo. Para a amostra 1, com 10% de argila, separou-se 5,04 gramas de massa e foi utilizado um becker de 100 ml para a realização do ensaio. Após adicionados 9 ml da solução de azul de metileno, observou-se a formação da auréola azulada na marca do papel filtro. Após três minutos, o resultado manteve-se positivo, indicando que toda a capacidade de adsorção da argila havia sido atingida, e assim, o ensaio foi dado por finalizado. 6 Para a amostra 10, com 50% de argila, separou-se 1,02 gramas de massa e foi utilizado um becker de 400 ml para realização do ensaio. Após adicionados 159 ml da solução de azul de metileno, observou-se a formação da auréola azulada na marca do papel filtro. Após três minutos, o resultado manteve-se positivo, indicando que toda a capacidade de adsorção da argila havia sido atingida, e assim, o ensaio foi dado por finalizado. Na Figura 4, podem ser visualizadas as marcas do azul de metileno deixadas no papel filtro e indicação dos resultados, após término do ensaio. Figura 4: Marcas do azul de metileno deixadas no papel filtro 3 EQUACIONAMENTO 3.1 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS (CTC) Para a determinação da capacidade de troca de cátions das amostras, utiliza-se a Equação 01. 𝐶𝑇𝐶 = 𝑉 ∙ 𝐶 ∙ 100 𝑀 (Eq. 01) 7 Onde: CTC: Capacidade de troca de cátions (meq/100g ou cmol+/kg); V: Volume da solução de azul de metileno utilizada (ml); C: Concentração da solução (N); M: Massa de solo seco (g). 3.2 SUPERFÍCIE ESPECÍFICA (SE) Tem-se que para a realização dos cálculos de superfície específica, primeiro deve-se calcular a capacidade de recobrimento para cada 1 ml da solução de azul de metileno. Para isso, utilizou-se a Equação 02 apresentada a seguir. 𝑆𝐸𝐴 = 𝐴 ∙ 𝑁 ∙ 𝑚 𝑀𝑎𝑚 ∙ 1.000 (Eq. 02) Onde: SEA: Superfície específica recoberta por 1 ml da solução de azul (m²); A: Área da face da molécula de azul de metileno (130 A²); N: Número de Avogadro; m: Massa de azul de metileno seco (g); Mam: Massa molecular do azul de metileno na forma anidra. Visto que se utilizou uma solução de azul de metileno com uma concentração de 0,0047N, ou seja, uma massa de 1,5g a cada litro de solução (Mam = 319,9), foi possível obter o seguinte valor: 𝑆𝐸𝐴 = 𝐴 ∙ 𝑁 ∙ 𝑚 𝑀𝑎𝑚 ∙ 1.000 = 130 × 10−20 ∙ 6,02 × 1023 ∙ 1,5 319,9 ∙ 1.000 → ∴ 𝑆𝐸𝐴 = 3,67 𝑚 2 𝑚𝑙⁄ Portanto, por meio da Equação 03 é possível obter a superfície específica do material (SE) em função do volume de azul de metileno utilizado. 8 𝑆𝐸 = 3,67 ∙ 𝑉 𝑀 (Eq. 03) Onde: SE: Superfície específica do material (m²/g); V: Volume da solução de azul de metileno utilizada (ml); M: Massa do solo seco (g). 3.3 VALOR DE AZUL DE METILENO (Vb) Com o objetivo de se calcular os valores de azul de metileno para cada amostra, utiliza-se a Equação 04. 𝑉𝑏 = 1,5 ∙ 𝑉 ∙ 100 𝑚 ∙ 1.000 (Eq. 04) Onde: Vb: Valor de azul de metileno (g/100g de agregado);V: Volume da solução de azul de metileno utilizada (ml); m: Massa do solo seco (g). 3.4 ATIVIDADE DA FRAÇÃO ARGILA (Acb) Para obtenção dos valores do parâmetro de atividade da fração argila para cada amostra, utiliza-se a Equação 05. 𝐴𝑐𝑏 = 𝑉𝑏 % 𝐴𝑟𝑔 ∙ 100 (Eq. 05) Onde: Acb: Atividade da fração argila (g/100g de argila); Vb: Valor de azul de metileno (g/100g de agregado); % Arg: Percentagem de argila presente no solo (%). 9 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Por meio dos dados e resultados obtidos durante a realização dos ensaios e, também, da utilização das correlações expostas no capítulo anterior, foi possível calcular os parâmetros desejados, que são apresentados na Tabela 2, a seguir: Tabela 2 – Resultados obtidos para as amostras ensaiadas Amostra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Massa do material seco (g) 5,04 2,5 2,26 - 1,59 5,1 - 1,00 1,80 1,02 % de argila 10 20 30 - 50 10 - 30 40 50 Concentração da solução de azul de metileno (N) 0,0047 0,0047 0,0047 0,0047 0,0047 0,0047 0,0047 0,0047 0,0047 0,0047 Volume de solução gasto (ml) 9 6 6 - 14 143 - 70 195 159 CTC (meq/100g) 0,84 1,13 1,25 - 4,14 13,18 - 32,90 50,92 73,26 SE (m²/g) 6,55 8,81 9,74 - 32,31 102,90 - 256,90 397,58 572,09 Vb (g/100g) 0,27 0,36 0,40 - 1,32 4,21 - 10,50 16,25 23,38 Acb (g/100g) 2,68 1,80 1,33 - 2,64 42,06 - 35,00 40,63 46,76 Com esses parâmetros estabelecidos, foi plotado um gráfico Vb versus % de Argila com o intuito de definir o tipo de argilomineral presente na amostra. Observou-se a partir desse gráfico que existe a presença de dois materiais distintos, devido à possibilidade de se traçar duas linhas de tendência, como configurado na Figura 5. 10 Figura 5: Gráfico de Vb x % Argila para os resultados obtidos de cada amostra Percebe-se que as retas traçadas (funções lineares) para os dois tipos de argilas se ajustaram satisfatoriamente aos pontos, pois obtiveram coeficientes de determinação iguais a 0,9708 e 0,8755. Através das funções lineares pré-determinadas, foi plotado um gráfico englobando as retas com os diferentes tipos de argilominerais conhecidos e suas respectivas composições mineralógicas das frações argilas. O gráfico obtido é apresentado através da Figura 6. y = 0,4267x R² = 0,9708 y = 0,0225x R² = 0,8755 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 V b ( g/ 1 0 0 g) % Argila (%) Argila A Argila B Linear (Argila A) Linear (Argila B) 11 Figura 6: Gráfico do tipo argilomineral com as retas referentes às Argilas A e B plotadas Tabela 3 – Composição mineralógica da fração argila referente a cada reta traçada no gráfico da Erro! Fonte de referência não encontrada.6 a 100% K + 0% I + 0% M b 95% K + 5% I + 0% M c 95% K + 0% I + 5% M d 0% K + 100% I + 0% M e 80% K + 0% I + 20% M f 10% K + 45% I + 45% M g 0% K + 98% I + 2% M h 15% K + 0% I + 85% M i 10% K + 0% I + 90% M K Caulinita I Ilita M Montmorilonita Analisando a reta representativa da argila A, percebe-se que esta está localizada acima de todas as retas representadas, situando-se mais próxima à reta i, da qual sua composição mais deve se assemelhar. No caso do comportamento da reta que representa a argila B, a mesma encontra-se situada entre as retas b e c, porém, bem próxima à reta b, dando a entender 12 que sua composição se assemelha a das duas, porém, foi adotada como representativa a composição referente à reta b. Após realizada esta análise, foi possível adotar as melhores composições representativas para a argila A e B, conforme descrito na Tabela 4. Tabela 4 – Composição adotada para a fração argila A e B Mineral Caulinita Ilita Montmorilonita Argila A 10,0% 0% 90,0% Argila B 95,0% 5,0% 0,0% Buscando identificar a atividade da fração argila contida nos solos de análise, utilizou- se o gráfico de referência fornecido por Lautrin (1989 apud PEJON, 1992). Neste gráfico, plotou-se os valores de % Argila e Acb para cada amostra, obtendo o que é demonstrado na Figura 7. Figura 7: Identificação da atividade da fração argila das amostras 13 Analisando a Figura 7, representada de acordo com os dados da Tabela 2, temos que os valores de Acb encontrados para a argila A, são maiores que 18, ou seja, extrapolam a região de identificação do gráfico, classificando-se este material como sendo de atividade muito nociva. Enquanto as retas indicando o Acb para a argila B, que estão representadas visualmente na Figura 7, situam-se na classe de atividade inativa. Finalmente, verificou-se o comportamento laterítico dos dois tipos de argila, por meio da análise dos valores obtidos de Vb e Acb das amostras ensaiadas, utilizando-se os gráficos representados nas Figuras 8 e 9. Vale ressaltar que os gráficos utilizados como base para análise deste comportamento são os fornecidos por Pejon (1992). Figura 8: Análise do comportamento laterítico (por meio de Vb) das amostras analisadas 14 Figura 9: Análise do comportamento laterítico (por meio de Acb) das amostras analisadas Por fim, analisando os resultados obtidos através das Figuras 8 e 9, pode-se afirmar que a argila A apresenta comportamento não laterítico, enquanto que a argila B apresenta comportamento laterítico. Isto se deve ao fato de que os pontos obtidos para a argila B estão concentrados em uma região com alta ocorrência de comportamento laterítico, contrapondo o apresentado pela argila A, em que a maioria dos valores de Acb e Vb extrapola o eixo vertical do gráfico. 15 5 CONCLUSÃO Para a caracterização dos argilominerais de forma mais precisa foram utilizados todos os resultados obtidos nos ensaios realizados com as dez amostras. É importante salientar que o ensaio deve ser executado de forma criteriosa para que gere resultados confiáveis. A partir do ensaio realizado e da interpretação dos resultados calculados, determinou- se que a fração da argila A apresenta o mineral da espécie montmorilonita em percentuais quase totais da sua composição. Esse mineral pertence ao grupo das esmectitas di- dioctaédricas, possuindo arranjo 2:1. Isso indica que essa estrutura permite a hidratação dos cátions interlaminares, provocando sua separação das lâminas e determinando um material altamente expansivo e plástico quando em contato com água, característica prejudicial para obras de engenharia. Devido a esse comportamento expansivo, esse mineral é utilizado como lama bentonítica na sustentação dos solos durante a execução das escavações para fundações. A atividade dessa fração da argila A é condizente com a Classe 7, altamente nociva, característica confirmada pelos altos valores obtidos para a capacidade de troca catiônica (13 à 73 meq/100g) e grande superfície específica apresentada (102 à 572 m²/g). Essa argila é encontrada em áreas que apresentam pouca estabilidade, como nos solos de comportamento não laterítico, informações confirmadas pelos parâmetros Acb e Vb indicados nos gráficos de referência, apresentados nas Figuras 8 e 9. No caso do material B, a predominância identificada é do mineral caulinita, que é um argilomineral de alumínio hidratado com arranjo 1:1 e que não apresenta substituições isomórficas significativas, fazendo com que a estrutura seja praticamente neutra. A atividade dessa fração de argila foi indicada, através da Figura 7, como inativa (classe 2) e o material tem superfície específica baixa, desfavorecendo a troca catiônica. Essas característicasforam confirmadas pelos baixos resultados de CTC determinados, que estão no intervalo de 0,84 e 1,25 meq/100g e também, superfícies específicas menores do que 10 m²/g. O mineral apresenta grande estabilidade, característica de solos com comportamentos lateríticos, informações também confirmadas pelos parâmetros Vb e Acb, fato que justifica ser a principal fração mineral constituinte dos solos brasileiros (de clima tropical úmido). Conclui-se com a realização deste trabalho que o ensaio de adsorção de azul de metileno é um método que permite a rápida identificação do comportamento físico-químico da fração fina dos solos, que influencia na durabilidade dos materiais rochosos e, 16 consequentemente, na definição de materiais e procedimentos a serem empregados nas obras de engenharia. 17 REFERÊNCIAS PEJON, O.J. Mapeamento geotécnico regional da folha de piracicaba (Esc. 1: 100.000): Estudo de Aspectos Metodológicos, de Caracterização e de Apresentação de Atributos. 1992. 224 p. Tese (Doutorado em Geotecnia) - Escola de Engenharia de São Carlos, São Paulo, 1992. PEREIRA, E. M. (2004). Estudo do comportamento à expansão de materiais sedimentares da Formação Guabirotuba em ensaios com sucção controlada. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 227p. (Dissertação de Doutorado). SANTOS, P.S. (1989). Ciência e tecnologia das argilas. 2ª.ed. São Paulo, Edgard Blücher. v.1. 408p. VARGAS, M. (1977). Introdução à Mecânica dos Solos. São Paulo, MCgraw-Hill do Brasil, Ed. da Universidade de São Paulo. 509p.
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