DISCIPLINA DE FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA

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1 Faculdade de Ciências e Tecnologia Departamento de Engenharia Civil DISCIPLINA DE FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA CAPITULO 4 PRODUTOS DE ALTERAÇÃO DAS ROCHAS Prof. Carlos Nunes da Costa 2006/2007

2 ÍNDICE 1. ALTERAÇÃO DAS ROCHAS Mecanismos de alteração química Mecanismos de alteração física Mecanismos de alteração física e química MINERAIS DAS ARGILAS Classificação dos minerais argilosos Propriedades físico-químicas das argilas FORMAÇÃO DO SOLO FONTES DE INFORMAÇÃO E MAIS LEITURAS EM: IV-1

3 PRODUTOS DE ALTERAÇÃO DAS ROCHAS SUMÁRIO Definições de alteração e alterabilidade. Série de Goldich, ou da estabilidade geoquímica dos minerais. Agentes de alteração. Mecanismos de alteração física e química. Minerais das argilas. Grupos da caulinite, ilite, clorite, montmorilonite e vermiculite. Grupo dos minerais interestratificados. Propriedades físico-químicas das argilas. Superfície específica. Suspensão coloidal argilosa. Carga eléctrica. Hidratação das argilas. Expansibilidade. Actividade. Catiões permutáveis. Esmectites. Bentonites. Formação do solo. Perfil-tipo de um solo. Factores de formação de um solo. 1. ALTERAÇÃO DAS ROCHAS Alteração (weathering) é um processo natural do qual resultam modificações físicas e químicas das rochas por acção de agentes atmosféricos (chuva, vento, variações de temperatura) e de outros agentes ambientais. Por sua vez, alterabilidade é a menor ou maior capacidade das rochas para resistir aos efeitos da exposição às condições ambientais, o que se traduz em modificações significativas nas suas propriedades físicas e químicas. Os factores que mais influenciam a alterabilidade das rochas são a sua composição original, o fenómeno de alteração em presença (em particular a alteração química) e o efeito tempo. No que se refere à composição mineralógica das rochas é sabido que a alterabilidade é inversamente proporcional à ordem de estabilidade geoquímica dos minerais, também conhecida por série de Goldich, sendo (dos mais estáveis para os menos estáveis): Oxidos e hidróxidos de Fe e Al Quartzo Minerais das Argilas Moscovite Felspato K (Ortoclase) Biotite Feldspato Na (Albite) Anfíbolas IV-2

4 Piroxenas Feldspato Ca (Anortite) Olivina De um modo geral, em geotecnia entende-se por alteração aquela que resulta da meteorização, isto é, a alteração secundária, relegando-se para segundo plano a alteração primária, ou deutérica, resultante de acções decorridas no processo de formação das rochas. Por efeito da meteorização, os materiais que estavam em equilíbrio na litosfera respondem ao contacto com a atmosfera e, em diferentes graus, com a hidrosfera e a biosfera. A alteração das rochas é devida a acções físicas e químicas e à conjugação de ambas. Os agentes da alteração são, principalmente: Águas de circulação, superficiais e subterrâneas e na forma de gelo Vento Seres vivos A influência dos factores externos, como a temperatura, a humidade ou o ph pode ser decisiva no desencadear da alteração. Temperatura e humidade elevadas são favoráveis à alteração, por isso se verifica que ela é mais forte nos trópicos que nas zonas temperadas (Figura 1). Por sua vez, ambientes fortemente afectados por ph baixo, como podem ser algumas áreas industriais ou urbanas, são também propícios a terem o seu património construído degradado. Figura 1 Distribuição da alteração por regiões (adapt. Peltier, 1950) IV-3

5 1.1 Mecanismos de alteração química Em seguida apresentam-se, de forma sumária, os mecanismos de alteração química mais relevantes: Hidrólise iões H + (ou OH - ) presentes na água substituem iões do mineral; o mineral decomposto dá origem a outro. Ex: feldspato K caulinite. Solução Mineral dissolve-se em contacto com a água. Ex: Halite (salgema). Hidratação Mineral dá origem a outro por adição de água. Ex: Gesso a partir de anidrite. Oxidação + Hidratação Ex: Óxido de Fe origina Limonite Redução + Desidratação Fenómeno inverso ao anterior. Ex: Limonite passa a Hematite (Fe 3+ ) Carbonatação Combinação de CO ou HCO 3 com minerais típicos em rochas com Ca ++ e Mg ++. Complexação Ligação de um ião metal com a estrutura envolvente (levado a efeito por agentes complexantes de origem orgânica). 1.2 Mecanismos de alteração física Os principais mecanismos de alteração física resultam de acções mecânicas que provocam a expansão dos materiais rochosos, como sejam: Efeitos térmicos de insolação ou congelação Descompressão de maciços por libertação de tensões devido à fracturação, desnudação e exfoliação. Outra acção importante é a abrasão, que actua por fricção provocando desgaste na superfície dos materiais rochosos. 1.3 Mecanismos de alteração física e química Alguns mecanismos têm a participação quer de acções físicas, quer químicas, como sejam: Crescimento de cristais sejam cristais salinos, a partir de soluções, sejam cristais de gelo Secagem e molhagem por modificações cíclicas do teor em água Expansão na presença de água. Ex: argilas expansivas. IV-4

6 2. MINERAIS DAS ARGILAS 2.1 Classificação dos minerais argilosos Os minerais das argilas são silicatos hidratados de alumínio (mas também de Mg, Fe, K, Ca, etc ), agrupados em unidades estruturais: Tetraédricas (unidade sílica) 4O 2-, 1 Si 4+ (Figura 2) Octaédricas (unidade alumina) 6O 2- (ou OH - ), 1 Al 3+ (ou Mg 2+ ) (Figura 3) Figura 2 Representação esquemática de uma folha tetraédrica: a) tetraedro; (b) folha tetraédrica (Te) (adaptado de Gomes, 1986) Figura 3 Representação esquemática de uma folha octaédrica: a) octaedro; (b) folha octaédrica (Oc) (adaptado de Gomes, 1986) As unidades estruturais tetraédricas e octaédricas dispõem-se segundo um arranjo hexagonal constituindo respectivamente folhas tetraédricas e octaédricas. Por sua vez as folhas tetraédricas e octaédricas podem associar-se de várias diversas dando origem a grupos minerais cristalinos diversos: IV-5

7 Grupo da Caulinite A combinação de uma folha tetraédrica com uma folha octaédrica conduz à formação de uma unidade estrutural do tipo 1:1 (Te-Oc) que identifica os minerais do grupo da caulinite (Figura 4), os quais são caracterizados por: Comportamento muito estável Pequena distância reticular fraca adsorção superficial Muito baixa capacidade de troca catiónica Figura 4 Modelo esquemático da estrutura química da caulinite (adaptado de Grim, 1962) Grupo da Ilite As camadas estruturais do cgrupo da ilite são do tipo 2:1 (Te-Oc-Te) intercaladas por folhas tetraédricas (Figura 5). Os minerais deste grupo são os mais abundantes nas argilas e caracterizam-se por apresentarem um comportamento intermédio entre a caulinite e a montmorilonite, distinguindo-se desta última por apresentarem: Baixa capacidade de troca catiónica Ausência de expansibilidade intercristalina IV-6

8 Figura 5 Modelo esquemático da estrutura química da ilite (adaptado de Grim, 1962) Grupo da Clorite O modelo estrutural da clorite é apresentado na Figura 6 2:1 (Te-Oc-Te)/Oc, intercaladas por folhas octaédricas. Os minerais da clorite estão essencialmente presentes nas rochas metamórficas, mas também em ígneas e sedimentares e nos solos delas derivados e caracterizam-se por apresentarem baixa capacidade de troca catiónica. Figura 6 Modelo esquemático da estrutura química da clorite (adaptado de Grim, 1962) IV-7

9 Grupo da Montmorilonite A Figura 7 apresenta esquematicamente o modelo estrutural tipo da montmorilonite 2:1 (Te-Oc-Te), em que o espaçamento entre as camadas é muito variável devido aos fenómenos de expansibilidade intercristalina que os caracteriza. As montmorilonites, também designadas por esmectites, onde se incluem as bentonites apresentam: Adsorção elevada de moléculas de água, que conduz a elevadas variações volumétricas Capacidade de permuta catiónica elevada Figura 7 Modelo esquemático da estrutura química da Montmorilonite (adaptado de Grim, 1962) Grupo da Vermiculite A estrutura deste grupo de minerais é semelhante à dos precedentes (Figura 8), isto é, do tipo 2:1 (Te-Oc-Te). Apresentam: Expansibilidade menor que a do grupo das montmorilonites Capacidade de troca catiónica muito elevada IV-8

10 Figura 8 Modelo esquemático da estrutura química da Vermiculite (adaptado de Grim, 1962) Grupo dos minerais interestratificados Os minerais das argilas nem sempre se caracterizam por uma repetição regular das camadas estruturais, representando estados metaestáveis ou de transição que ocorrem na evolução de um mineral para outro. Os minerais interestratificados apresentam-se como empilhamentos de 2 ou mais camadas estruturais-tipo correspondentes a minerais distintos, que se podem repetir de forma regular ou irregular (Figura 9): Figura 9 Modelo simplificado da estrutura dos minerais interestratificados construídos com duas camadas estruturais básicas do tipo A e B (adaptado de Gomes, 1986) IV-9

11 Minerais argilosos não cristalinos Os minerais argilosos não cristalinos (ou fracamente cristalinos) são caracterizados por apresentarem unidades estruturais fracamente organizadas, sendo por isso amorfos à difracção dos raios x. Os mais importantes são: a) alofana que apresenta uma estrutura morfológica em pequenas esferas, sendo caracterizada por: elevada capacidade de troca iónica elevada sensibilidade/actividade b) imogolite que apresenta uma estrutura em cadeia, sob a forma de fibras muito finas. 2.2 Propriedades físico-químicas das argilas Superfície específica É a área da superfície externa da partícula expressa em m 2 /g. Trata-se de um dos parâmetros mais importantes no comportamento das argilas. Na Tabela I apresentam-se as s de alguns minerais argilosos. Tabela I - Superfície específica Grupo Superfície específica (m 2 /g) Caulinite Ilite Clorite Montmorilonite Vermiculite Suspensão coloidal argilosa A dispersão das partículas argilosas em água pode conduzir à sua deposição num intervalo de tempo maior ou menor. Neste último caso trata-se de uma solução do tipo coloidal. No primeiro caso as partículas são maiores e estamos em presença de uma suspensão coloidal. As suspensões coloidais exibem propriedades partículas, designadamente: IV-10

12 Efeito Tyndall fenómeno óptico (aparente somente quando a suspensão é observada contra um fundo negro) que identifica a perturbação devida à dispersão das partículas em todas as direcções. Movimentos brownianos movimentos irregulares em todas as direcções devidos ao embate das moléculas do meio dispersante (ex: água) nas partículas de argila. Electroforese migração das partículas de argila sob efeito de um campo eléctrico: as partículas de argila dirigem-se para o pólo positivo, enquanto os catiões de troca vão para o pólo negativo. Carga eléctrica Os minerais argilosos possuem uma carga eléctrica globalmente negativa distribuída pela superfície, embora de forma desigual: em regra carregadas negativamente nas faces e positivamente nos bordos. Hidratação das argilas As partículas argilosas estão sempre hidratadas porquanto se encontram envolvidas por camadas de moléculas de água. As moléculas de água constituem uma camada adsorvida ligada à superfície das partículas argilosas através de: Ligação aos catiões Partilha do ião H + Expansibilidade Caracteriza-se pela variação volumétrica dos minerais argilosos devido à variação do teor em água. Pode ser: Intercristalina. Ex: Ilite Intracristalina adsorção de 2 ou mais camadas moleculares de água nas superfícies internas dos minerais argilosos:. Ex: montmorilonite, vermiculite. IV-11

13 Actividade A actividade das argilas é expressa pelo índice de actividade de Skempton: A c = IP/ % argila (< 0,002mm) em que IP é o índice de plasticidade. Uma argila com alta actividade é a que apresenta plasticidade elevada, o que se deve a grandes superfícies específicas. As caulinites são as menos activas. Quanto maior for a sua actividade maior será a sua expansibilidade e deformabilidade. Catiões permutáveis Os catiões são atraídos para a superfície das argilas, carregadas negativamente em termos globais. Trata-se de catiões permutáveis, podendo substituir-se por outros de igual valência, a qual determina a sua facilidade de permuta. Facilidade de permuta: Al ++ > Ca ++ > Mg ++ > NH 4 + > K + > H + > Na + > Li + Aplicações na Engenharia civil: Esmectites As esmectites são os minerais de argilas mais interessantes para a produção de barreiras de baixa permeabilidade, com grande aplicação na engenharia civil (ex: em aterros sanitários). Existem vários tipos de esmectites: Tabela II Tipos de esmectites Esmectites Camadas superiores e Camada intermédia inferiores tetraedricas octaédrica Montmorilonite Si Al+Mg Beidelite Si+Al Al Nontronite Si+Al Fe Sauconite Si Zn Saponite Si+Al Mg Hectorite Si Mg+Li A bentonite é uma esmectite proveniente de Fort Benton (USA) formada a partir de depósitos sedimentares de cinzas vulcânicas em meio marinho ( MA). Consiste em Montmorilonite (>80%) + Beidelite IV-12

14 3. FORMAÇÃO DO SOLO A formação do solo é resultado da alteração da rocha mãe, que se processa através da conjugação de agentes que interagem a partir da Atmosfera, da Hidrosfera e da Biosfera, sobre a Litosfera, produzindo alteração física e química dos materiais geológicos. Em termos geotécnicos a alteração dos materiais geológicos e a consequente formação do solo é assumida como algo problemático - pode conduzir a um comportamento deficiente dos terrenos. Em termos pedológicos a formação do solo é a base da estabilidade da biosfera e do ciclo hidrológico. Os conceitos de solo são de várias naturezas (agronómica, geológica, geotécnica ) complementares, mas frequentemente contraditórios. Há que ter em conta que qualquer destas abordagens apenas reflecte parcialmente a complexidade desta entidade que designamos por solo. Numa perspectiva holística (isto é, que assume que o todo é mais do que a soma das partes) poderá definir-se solo como uma entidade complexa, formada por partículas minerais, matéria orgânica, ar, água e organismos vivos. O solo, enquanto recurso não renovável à escala humana, desempenha um sem-número de funções-chave (ambientais, económicas, sociais e culturais) essenciais à vida, como sejam: produção alimentar e de biomassa; fonte de matérias-primas; armazenagem, filtração e transformação; habitat e banco de genes. O solo é o ambiente físico e cultural da humanidade, por excelência. As diversas visões parcelares do solo perdem um pouco desta perspectiva globalizante para se centrarem nos aspectos que lhe dizem respeito. Para os agrónomos o solo é essencialmente, a terra arável, homogeneizada por práticas culturais: definem-no como um corpo natural, diferenciado em horizontes, de constituintes minerais e orgânicos, usualmente não consolidado, de espessura variável, e que difere do material originário subjacente pela morfologia, propriedades e constituição físico-químicas e biológicas" (Demolon, 1952). Do ponto de vista estritamente geológico, solo é a parte superficial, móvel da crosta terrestre resultante da transformação da rocha-mãe. Toda a ocorrência natural de depósitos brandos ou moles, cobrindo um substrato rochoso e que é produzida por desintegração e decomposição física e química das rochas, podendo ou não conter matéria orgânica, cabe na definição de solo. IV-13

15 A alteração, em regra, progride de cima para baixo. Em termos geotécnicos um perfil-tipo de alteração é constituído basicamente por 3 horizontes: O horizonte superior, ou rególito, constituído, no topo, por solo arável e na base, por uma mistura de solo e fragmentos de rocha alterada. Um horizonte intermédio, constituído por rocha muito alterada e muito fragmentada. Um horizonte inferior, constituído por rocha pouco alterada e fragmentada. No entanto, em termos pedológicos, a observação de um perfil-tipo de um solo exige a consideração de maior detalhe no horizonte superior. Na Figura 1 1 pode observar-se que o horizonte superior é constituído sucessivamente por: Horizonte O formado praticamente por matéria orgânica (húmus) Horizonte A húmus e matéria mineral Horizonte E Zona de lixiviação Horizonte B Zona de acumulação (de argilas) Só depois se seguindo o horizonte C (rocha alterada) e o substrato não alterado. Na Figura 2 2, em que o horizonte E foi omitido, apresenta-se uma ideia da espessura relativa dos horizontes superiores (em polegadas = 2,5 cm). Como se pode concluir trata-se de uma camada muito superficial da ordem do metro, que não interessa normalmente aos problemas de engenharia civil e, por isso, é frequentemente desprezada na análise geotécnica. 1 (in 2 (in IV-14

16 Os factores que influenciam a alteração das rochas e, consequentemente, a formação do solo são, basicamente, os seguintes: Composição da rocha-mãe rochas de menor estabilidade geoquímica alteram-se mais rapidamente. Estrutura da rocha rochas maciças resistem mais; por outro lado dá-se o fenómeno da alteração diferencial em alternância de rocha dura/rocha branda: a rocha dura dá lugar à formação de cornijas e abruptos; a branda a taludes suaves. Topografia Taludes suaves permitem a maior permanência da água, consequentemente, maior alteração. Cima A alteração é directamente proporcional à temperatura e à humidade. Organismos vivos São agentes de alteração: raízes, animais que escavam, actividades humanas (extractivas, agricultura, construção) Tempo Em termos geotécnicos a alteração dos materiais geológicos e a consequente formação do solo tende a ser assumida como algo problemático, na medida em que pode conduzir a um comportamento deficiente dos terrenos. Contudo em termos pedológicos a formação do solo é a base da estabilidade da biosfera e do ciclo hidrológico. Nesse contexto considera-se que a taxa de formação de um solo é muito reduzida: em média, cerca de 1cm por cada 80 a 400 anos. Em contrapartida considera-se que os índices de perda de solo a nível mundial são muito elevados. FONTES DE INFORMAÇÃO E MAIS LEITURAS EM: Aires-Barros, L. (1991) Alteração e alterabilidade das rochas, Lisboa, INIC, 384p. Aires-Barros, L. & Mouraz-Miranda, A. (1989) - Weathering and weatherability of rocks and its significance in geotechnics. Balasubramaniam, K.S. & Evangelou, V.P. & Faure, G. & Goni, J. & Grubb, P.L.C. & Hill, P.A. & Lahodney-arc, O. & Melfi, A.J. & Mendelovici, E. & Nikitina, A.P. & Pickering, W.F. & Augustithis, S.S. (eds) (1989). : Athens: Theophrastus Publications, S.A. Weathering: its products and deposits, Volume II Ashman & Puri (2002) - Essential Soil Science. A Clear and Concise Introduction to Soil Science. Blackwell Publishing,. 198pp Gomes, C.F. (1986) - Argilas. O que são e para o que servem. Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa. IV-15

17 Grim, R.E. (1962) Applied Clay Mineralogy. McGraw-Hill Book Company, Inc.. Peltier, Louis C. (1950) The Geographic Cycle in Periglacial Regions as it is Related to Climatic Geomorphology. Annals of the Association of American Geographers 40: IV-16