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  • 1. Introdução Na crosta terrestre, 10 elementos são 99% da composição das rochas O (46.6); Si (28.2); Al (8.2); Fe (5.6); Ca (4.2) Na, K, Mg, Ti, P Os silicatos são os minerais mais abundantes (SiO4)-4 Argilo-minerais Geologia de Engenharia III ENG05103 O O 1 Composição em termos granulométricos Si O O 2 Pedregulhos, Areias e Silte Constituídos de minerais resistentes ao intemperismo (quartzo, turmalina, ilmenita), parcialmente intemperizados (feldspatos (K), micas e ferrosos) e fragmentos de rocha. Ferrosos: hematita, magnetita, limonita e goetita Dependendo do grau de alteração dos fragmentos a resistência mecânica do solo pode variar Pedregulhos Areia Silte Argila (argilo-minerais) 3 4 Fração argila Fração do solo com partículas inferior a 0.005mm (2µm) Formado por substâncias inorgânicas e orgânicas argilo-minerais, outros minerais não argilosos (hidróxidos de Fe e Al, quartzo, mica, feldspatos, calcita) húmus e microorganismos A fração argila é formada praticamente de argilominerais Adquiri plasticidade em contato com a água Dois solos com a mesma granulometria, partículas da mesma forma e estruturas semelhantes podem apresentar comportamento distinto, devido a diferença da composição mineralógica 5 Todo argilo-mineral é uma argila, mas nem toda a argila é um argilo-mineral 6 1
  • 2. Argilo-minerais Argilo-minerais... Constituintes principais dos solos Silicatos hidratados de alumínio (Al4[Si4O10](OH)8) Os argilo-minerais são formados basicamente por camadas de sílica (SiO2) e hidróxido de alumínio (Al2(OH)3) Filossilicatos Apresentam plasticidade, absorção de água e troca catiônica Tamanho menor 2µm A camada de sílica une-se a camada de alumina pela camada de oxigênio e hidroxila São colóides eletronegativos com capacidade de absorção de retenção de água Troca de cátions e ânions Susceptíveis de disapersão e floculação Poder tamponizante Plasticidade, tenacidade no estado seco Variação de volume conforme o teor de água Ligação com substâncias orgânicas 7 8 9 10 11 12 Argilo-minerais... Estrutura lamelar, alternando folhas de tetraedros de sílica e folhas de octaedros de alumínio que pode ser substituído por Fe, Mg, Mn, etc. As argilas podem ser classificadas em função do número de camadas tetraédrica e octaédricas 1:1 – uma tetraédrica e uma octaédrica 2:1 – duas tetraédricas e uma octaédrica Os argilo-minerais mais comuns são: Caulinita, esmectitas e ilitas 2
  • 3. Determinação do argilo-mineral Química, capacidade de troca de cátions, análise térmica diferencial, microscopia eletrônica e difração de raio-x Difração de raio-x a partir do valor medido da distância interplanar basal de cada tippo de argilo-mineral Registro gráfico difratograma 13 14 Difratograma Distância interplanar 15 Estrutura interna, substituição isomórfica e propriedades 16 Caulinita Al4[Si4O10](OH)8 Empilhamento regular de camadas 1:1 Uma folha de sílica (SiO4) e uma folha de gibsita Al2(OH)6 Baixa capacidade de troca catiônica Menor plasticidade entre as argilas devido a forte ligação entre as camada no plano de clivagem Fireclay mineral (argila refratária) é a caulinita malcristalizada Caulinita Haloisitas Micas hidratadas Esmectitas Vermiculitas Cloritas Argilas de camadas mistas 17 18 3
  • 4. Haloisita Estrutura cristalina semelhante a caulinita Camadas sucessivas estão deslocadas aleatoriamente ao longo das direções dos eixos a e b Forma tubular Duas formas de haloisitas: Haloisita-2H2O (meta-aloisita) Haloisita-4H2O (endelita) Al4[Si4O10](OH)8 Al4[Si4O10](OH)8.4H2O 19 20 21 22 Crisotila Forma polimorfa do mineral serpentina Estrutura cristalina semelhante a caulinita Apesar do aspecto fibroso e crisotila é um filossilicato lamelar Mg6Si4O10(OH)8 Esmectitas Esmectitas... Estrutura de duas folhas de silicato tetraédricas e uma folha octaédrica central (2:1) Unidas por oxigênios comuns as folhas Montmorilonita, beidelita, nontronita, volconscoíta, saponita, sauconita, hectorita Substituição isomórficas do alumínio por silício no tetraedro Substituição do alumínio, ferro e magnésio no octaedro As camadas sucessivas são ligadas por ligações fracas 23 Moléculas de água ou moléculas polares de espessura variável Quando a esmectita (montmorilonita) são colocados em água, os cátions trocáveis se hidratam e são mais sucetíveis a trocas A espessura interlamalar varia com a qualtidade de água disponível e das moléculas polares, sem alterar o valor da reflexão Fórmula geral (1/2Ca,Na)0,7(Al,Mg,Fe)4(Si,Al)8O20(OH)4.nH2O Substituição isomórfica 24 4
  • 5. Esmectitas... Esmectitas... Devido a fraca ligação entre as camadas, presença de água e a substituição isomórfica a clivagem entre as camadas é fácil Prpriedades de plasticidade e coloidais Grandes variações nas propriedades físicas Cátions Na, K, Li e NH4 É a única argila expansiva (+vermiculita) Diferença entre disperção e expanção Bentonitas são esmectitas provenientes de alteração de cinzas vulcânicas Pag 60 e 61 25 Ilita ou mica-hidratada 26 Ilita ou mica-hidratada... Micas que gradam em direção a argilas Fórmula geral: K1-1,5Al4[Si7-6,5Al1-1,5O20](OH)4 Estrutura semelhante a esmectita (2:1) Difere por haver maior substituição do alumínio por sílica Difere da muscovita por ter mais sílica e menos potássio Potássio interlamelar impede a entrada de água na estrutura e cátions Não expansiva Pag 60, 61 e 62 27 Ilita ou mica-hidratada... 28 Clorita Estrutura cristalina da clorita é por camadas alternadas estruturais do tipo da mica (2:1) e de brucita (MgOH) O Mg é substituído por Al e Fe Fórmula geral: (Mg,Al,Fe)12(Si,Al)8O20(OH)16 Pode ser encontrada nas rochas vulcânicas e metamórficas e como argilas em sedimentos argilosos 29 30 5
  • 6. Clorita... Vermiculita Apresenta semelhanças estruturais com clorita e montmorilonita A água interlamelar existe como na montmorilonita e o mineral pode expandir até certo limite Biotita tratada com cloreto de magnésio em solução aquosa por longo período se transforma em vermiculita 31 Argilas de camadas mistas 32 Sistema argila-água Argilo-minerais que ocorrem na natureza em unidades compostas Ilita, montmorilonita, clorita e vermiculita Fase dispersa é um sólido Fase dispersante é um líquido (água) Grau de dispersão: Grosseira: partículas diâmetro superior 0,1µm, não passam em filtro comum, visíveis ao microscópio óptico Coloidal: partículas diâmetro entre 0,1µm e 0,001µm, passam em filtros comums, mas não em ultra-filtros, invisíveis ao microscópio óptico, visíveis ao microscópio eletrônico, sóis, gelatinas, géis Dispoersões moleculares: partículas diâmetro inferior 0,001mm, passam em ultra-filtros, invisíveis ao microscópio eletrônico 33 Sistema argila-água... 34 Sistema argila-água... Argilo-minerais são microcristais em forma de colóides ou suficientemente grandes para serem vistos ao microscópio ótico Moer uma argila significa destruir agregados naturais para aumentar a área específica 10m2/g para caulinitas 200m2/g para esmectitas Facilitam a troca de íons e penetração de água na estrutura Dimensões: Caulinita: placa hexagonais de 0,1µm a 3µm de diâmetro Haloisista: tubos 0,2µm de diâmetro externo e alguns micrômetros de comprimento Montmorilonita: placas irregulares com diâmetos inferior a 1µm, podendo chegar a 10A Ilita: placas irregulares com diâmetro de 1µm Propriedades importantes: plasticidade, resistência mecânica (verde e seco), retração linear, compctação e viscosidade 35 36 6
  • 7. Sistema argila-água... Sistema argila-água... Propriedades físicas diferentes da água líquida (gelo) Estrutura rígida a partir da superfície do argilo-mineral 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) Nas superfícies basais dos cristais A espessura da camada de água rígida pode ser de tres ou mais moléculas e a passagem para água líquida pode ser brusca ou gradual Pode ser eliminada entre 100 e 150°C Classificadas em tres tipos segundo (estrutura do argilomineral): Água líquida nos poros, superfície e nas arestas Esmectitas, vermiculitas, a água se encontra intercalada entre as camadas a definem a estrutura do argilo-mineral Se encontra dentro dos canais tubulares de unidades estruturais fibrilantes (sepiolita e haloisita) No caso de esmectitas e vermiculitas é necessário 200°C para a retirada total da água intercalada (rapidez) 37 38 39 40 Influência dos óxidos e hidróxidos absorvidos nas propriedades das argilas Agentes dispersantes e floculantes NaOH como defloculante (OH-) Ca e Mg diminuem a espessura da camada de água devido a maior carga e pequeno raio atômica Na aumenta a espessura na camada de água menor carga Importância do argilo-mineral e dos íons absorvidos nas propriedades dos solos Cátions absorvidos nas propriedades dos solos... Capacidade de troca de íons que estão fixados na superfície, entre as camadas e dentro dos canais da estrutura cristanlina Podem ser trocados por reação química ou por outros íons na solução aquosa Podem ser orgânicos e inorgânicos Sem alteração da estrutura cristalina Influem nas propriedades físico-químicas e tecnológicas Plasticidade, resistência mecânica (verde e seco), viscosidade 41 Varia de 80 a 150 meq por 100g de esmectita Até 3 a 15 meq por 100g de caulinita É resultado do desequilíbrio de cargas resultante da substituição isomórfica na estrutura cristalina, das ligações quebradas nas arestas e da substituição de hidrogênio e hidroxilas Os íons trocáveis estão geralmente nas arestas Nas esmectitas é devida a substituição isomórfica da camada tetraédrica Na caulinita é devida a ligações quebradas Nas ilitas e cloritas é devida a ligações quebradas e a troca de íons potássio 42 7
  • 8. Cátions absorvidos nas propriedades dos solos... Qualidade das argilas por meio de ensaios geotécnicos Cátions em ordem crescente em facilidade: Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg+2, Ca+2, Sr+2, Ba+2, H3O+ Matéria orgânica pode estar presente em argilas sob forma de partículas (madeira, folhas, etc) ou sob forma de moléculas orgânica adsorvidas nas faces menores dos argilo-minerais Colóide protetor Grande papel na propriedade de plasticidade (ball-clay) 43 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 44 FIM 45 8

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