argilominerais propriedades e aplicaÇÕes · 05/10/2011 1 departamento de engenharia civil...
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Departamento de Engenharia Civil
Pós-graduação
ARGILOMINERAIS
PROPRIEDADES E APLICAÇÕES
Classificação Estrutural dos Argilominerais
Introdução
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Origem dos Solos
Residual (Maduro, Saprolítico)
Transportado ou
Sedimentar (Aluvião, Colúvio, Talus.
Orgânico (Turfa)
PUC-Rio NGA
Solos Tropicais PUC-Rio
NGA
Co
nc
eit
os G
eo
téc
nic
os B
ás
ico
s
T.M.P. de Campos (2007)
Solos Residuais
Solos Lateríticos
Solo residual de sienito
O produto da intemperização da rocha permanece no local de origem
Solos superficiais formados em ambiente tropical úmido, em decorrência, essencialmente, de lixiviação de óxidos de ferro e alumínio de materiais sobrejacentes bem drenados.
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OU SOLO SAPROLÍTICO
OU SAPROLITO
HORIZONTE C
HORIZONTE B
T.M.P. de Campos (2007)
Exemplos de Perfis de Solos Residuais
Solos Residuais
PUC-Rio NGA
Co
nc
eit
os G
eo
téc
nic
os B
ás
ico
s
T.M
.P. de C
am
pos
(2007)
Peculiaridades estruturais da rocha mãe são preservadas no solo residual jovem ou solo saprolítico
Fil
ito
Gra
nit
o-G
nais
se
Gnaisse
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Matacão > 200mm Calhau 60 < < 200mm Pedregulho 2 < < 60mm
Areia 0,06 < < 2mm Silte 0,002 < < 0,06mm Argila < 0,002mm
Tamanho de Grãos
T.M.P. de Campos (2007)
argila silte areia pedregulho
fina media grossa
calhau matacão
Diâmetro dos Grãos (mm)
0,002 0,05 4,8 76 0,4 2
Solos Coesivos Solos Granulares
Solos de Granulação Fina Solos de Granulação Grossa
Análise por Sedimentação Análise por Peneiramento
250 1000
Classificação ABNT
PUC-Rio NGA
Areia
Pedregulho
Silte Argila
invisível nesta escala
Tamanhos
relativos
T.M.P. de Campos (2007)
Invisíveis à
olho nu
PUC-Rio NGA
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Tamanhos de Partículas de
Solos
T.M.P. de Campos (2007)
PUC-Rio NGA
Areia Silte Argila grossa média fina grosso médio fino
Colóide
Espessura da folha de caulinita
Espessura da folha de ilita
Esp. da folha de montmorilonita
Diâmetro da molécula d´água
Limite do microscópio óptico
Comprimento de onda do Raio X
Gama de ultramicroscopia Limite do microscópio eletrônico
Peneiramento
Limite de visibilidade a olho nu
Sedimentação Centrifugação
Comportamento controlado por forças elétricas
Comportamento controlado por
forças de massa
1 - Amp
2 - Llm
3 - Amp
4 - ACa
5 - ACpb
solo
VE
0510
15
20
25
30
35
40
CuKα - 2 θ
d=
7.1
3
d =
3.5
6
d =
7.1
3
d =
4.1
3
AN
ST
540°
EG
Ct
Fração areia – lupa binocular
Fração Argila - Microscópio eletrônico de
varredura (MEV)
Fração Argila -
Difração de Raios X
(DRX)
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Análise Granulométrica Peneiramento
– Percentual em peso do solo que passa por peneiras com aberturas pré-estabelecidas em Normas Técnicas
T.M.P. de Campos (2007)
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Jogo de peneiras
Amostra de solo
Peneirador
Análise Granulométrica Sedimentação
– Lei de Stokes: velocidade de queda de partículas sólidas em suspensão em uma solução água-solo é proporcional ao quadrado do diâmetro das partículas
T.M.P. de Campos (2007)
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Distribuição Granulométrica
T.M.P. de Campos (2007)
PUC-Rio NGA
DiâmetrosEfetivos
(mm)
Coeficientesde
Uniformidade
e
Curvatura
Peneira N o
(SUCS) 30
"
12
"
6"
3"
2"
1"
1/2
"
410
20
40
60
10
0
20
0
Po
rcen
tag
em
reti
da
)%
(
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
Diâmetro dos Grãos (mm)
Po
rcen
tag
em
qu
e p
ass
a
(%)
MatacãoPedraABNT SilteArgilaPedregulhoAreia
médiafina finogrossa médio grosso
SilteArgila PedregulhoAreiamédiafina grossa 21 43
SilteArgila PedregulhoAreiafina grossamédia
MIT
SUCS
Porc
enta
gem
qu
e p
assa
(%
) Porcen
tagem
retida (%
)
Peneiramento
Sedimentação
Mineralogia PUC-Rio
NGA
(constituintes sólidos dos solos)
Quartzo
Minerais Primários Feldspatos
(predominam na fração grossa) Micas
Argilominerais
Minerais Secundários Óxidos e Hidróxidos
(fração fina) de Fe e Al
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Colóides dos Solos
4 Tipos
Argilominerais
1:1, 2:1, 2:1:1
Óxidos e Oxi-hidróxidos de Fe and Al
Goetita, Hematita, Ferryhydrita, Maghemita
Matéria Orgânica
Baixo peso molecular – ácido fúlvico
PUC-Rio NGA
Todo argilo-mineral é uma argila, mas
nem toda a argila é um argilo-mineral...
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Argilominerais
PUC-Rio NGA
São silicatos de alumínio hidratados, podendo conter pequenas quantidades de elementos alcalinos (K, Na, Li) e alcalino terrosos (Ca, Mg).
O Al de sua estrutura cristalina pode ser substituído por Fe3+, Fe2+ ou Mg2+.
Três grupos principais de agrupamentos atômicos formam sua estrutura cristalina:
G ou B
Folhas de Tetraedros de Silício
Folhas de Octaedros de Alumínio
Folhas de Octaedros de Magnésio
G = gibisita (Al); B = brucita (Mg)
Estrutura dos
Argilominerais
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• Os argilominerais são formados por folhas de tetraedros de silício e oxigênio e folhas de octaedros de alumínio e oxidrilas, ambas em arranjo hexagonal.
• Os átomos de oxigênio ficam dispostos em volta dos átomos de silício, em ligação covalente, o mesmo acontecendo com as oxidrilas e os átomos de alumínio.
No caso dos tetraedros, o Si, pode ser substituído isomorficamente por Al3+, Fe2+ e Fe3+.
Nos octaedros pode ocorrer a substituição isomórfica do Al3+, Fe2+, Fe3+, Ti4+, Cr3+, Mn2+, Zn2+, Li1+, Mg2+.
PUC-Rio NGA
Unidades Estruturais Básicas
0.29 nm
Aluminio ou
magnésio
Hidroxila ou
oxigênio
Tetraedro de Silício Octaedro de Alumínio
0.26 nm
oxigênio
silício
0.26 nm
oxigênio
silício
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Tetraedro
Octaedro
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a: grupo tetraédrico
b: lâmina tetraédrica
c: grupo octaédrico
d: lâmina octaédrica
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Disposição de tetraedros ao longo de [001] (de Bailey, 1980).
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Disposição de
Octaedros ao longo de
[001] (de Bailey, 1980).
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Ligações entre as Unidades
estruturais Básicas • As folhas de tetraedros e de octaedros se empilham ao
longo do eixo C dando origem a uma camada formada por duas folhas. No empilhamento das folhas, as ligações são feitas pelos oxigênios dos vértices dos tetraedros.
• Ocorrem também, camadas formadas por três folhas, sendo as folhas de octaedros intercaladas entre duas folhas de tetraedros.
• Nas estruturas 1:1, as camadas são unidas por pontes de hidrogênio ou oxidrilas. Nas estruturas 2:1, as camadas são unidas por cátions, que se dispõem entre as camadas.
PUC-Rio NGA
Classificação Estrutural dos
Argilominerais
• Argilominerais - Grupo dos filossilicatos
• São divididos em minerais de estrutura 1:1; 2:1; e 2:1: l.
• Minerais de estrutura 1:1 são: Caulinita, diqnita, narsita, haloisita;
• Minerais de estrutura; 2:1 são: Grupo da ilita; Grupo da vermiculita, Grupo da esmectita; montmorilonita, nontronita, saponita, hectorita, sauconita e volconscoita.
• Minerais de estrutura 2:1;1 são: Grupo da clorita com várias espécies. Argilominerais pertencentes ao grupo dos minerais de camadas mistas ou interestratificados.
PUC-Rio NGA
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1:1 PUC-Rio
NGA
2:1 PUC-Rio
NGA
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Para simplificar utiliza-se para representar tetraedros de silício:
Si
E para os octaedros de alumínio:
Al
PUC-Rio NGA
Si
Al
Si
Al
7Å
Caulinita
Si
Al
Si
Ca + Mg + n H2O
Si
Al
Si
14Å
Vermiculita
Si
Al
Si
C.T. + n H2O
Si
Al
Si
14Å
Esmectita
Si
Al
Si
K K K
Si
Al
Si
10Å
Ilita
Si
Al
Si
C.T. + n H2O
Si
Al
Si
K K K
Si
Al
Si
C.T. + n H2O
Camada Mista
Ilita-Esmectita
Si
Al
Si
Mg
Si
Al
Si
14Å
Clorita
PUC-Rio NGA
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PUC-Rio NGA
Famílias de Argilominerais PUC-Rio
NGA
Caulinita
(Estrutura 1:1)
G
G
G
7,2 A
o
Lâminas de caulinita
em cristais de quartzo
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Famílias de Argilominerais PUC-Rio
NGA
Ilita (Estrutura 2:1)
10 A
G
G
G
K K K
K
K
K K K
K Fixo
o
Famílias de Argilominerais
PUC-Rio NGA
9,6 A a ∞
G
G
G
H2O + Cátions
o
Esmectita
(Estrutura 2:1)
(montmorilonita)
http://webmineral.com/speci
mens/picshow.php?id=1285
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2:1 Clay Minerals (expanding) CEC: 100 – 200 meq/100 g (vermiculite)
70 – 120 meq/100 g (smectite)
2:1 Clay Minerals CEC ~ 40 meq/100 g
non-expanding
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caulinita
clorita
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flogopita
muscovita
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Formação dos argilominerais
Processos intempéricos; processos diagenéticos e processos hidrotermais;
Os minerais pertencentes ao grupo dos silicatos, exceto o quartzo, podem ser transformados em argilominerais, conhecidos como minerais secundários;
Os argilominerais também podem ser chamados de minerais neoformados ou de neoformação. Neste caso, são resultantes da precipitação ou combinação de substâncias resultantes do intemperismo de outros minerais.
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Ambiente Geoquímico
• Em condições de drenagem lenta temos: Biotita → Fengita → Vermiculita → Esmectita → Caulinita → Gibsita
• Em condições de boa drenagem tem-se:
Biotita → Caulinita + goetita
Feldspato → Caulinita + gibsita
• Intemperismo de Feldspato sob condições de drenagem lenta:
Feldspato → Montmorilonita → Beídelita → Caulinita → Gibsita
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Influência da Topografia na Dinâmica da
Água no Solo
Fraturas Tectônicas Sub-Verticais
Dedo de Deus (RJ) Serra dos Órgãos (RJ)
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Neosolo Litólico Gleissolo Argissolo
Relevo Influenciando as
Características do Solo
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Relações entre a
idade do solo e
suas
características
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Depósitos lateríticos – Minério de Ferro
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