Argilas

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Argilo-minerais

Geologia de Engenharia IIIENG05103

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Na crosta terrestre, 10 elementos são 99% da composição das rochasO (46.6); Si (28.2); Al (8.2); Fe (5.6); Ca (4.2)Na, K, Mg, Ti, POs silicatos são os minerais mais abundantes (SiO4)-4

Introdução

Si

O

OO

O

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Composição em termos granulométricos

PedregulhosAreiaSilte

Argila (argilo-minerais)

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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 goetitaDependendo do grau de alteração dos fragmentos a resistência mecânica do solo pode variar

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Fração argilaFração 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 argilomineraisAdquiri plasticidade em contato com a águaDois solos com a mesma granulometria, partículas da mesma forma e estruturas semelhantes podem apresentar comportamento distinto, devido a diferença da composição mineralógica

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Todo argilo-mineral é uma argila, mas nem toda a argila é um argilo-mineral

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Argilo-mineraisConstituintes principais dos solosSilicatos 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 catiônicaTamanho menor 2µmA camada de sílica une-se a camada de alumina pela camada de oxigênio e hidroxila

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São colóides eletronegativos com capacidade de absorção de retenção de águaTroca de cátions e ânionsSusceptíveis de disapersão e floculaçãoPoder tamponizantePlasticidade, tenacidade no estado secoVariação de volume conforme o teor de águaLigação com substâncias orgânicas

Argilo-minerais...

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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 octaédrica2:1 – duas tetraédricas e uma octaédrica

Os argilo-minerais mais comuns são:Caulinita, esmectitas e ilitas

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Determinação do argilo-mineral

Química, capacidade de troca de cátions, análise térmica diferencial, microscopia eletrônica e difração de raio-xDifração de raio-x a partir do valor medido da distância interplanar basal de cada tippo de argilo-mineralRegistro gráficodifratograma

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Distância interplanar

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Difratograma

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Estrutura interna, substituição isomórfica e propriedades

CaulinitaHaloisitasMicas hidratadasEsmectitasVermiculitasCloritasArgilas de camadas mistas

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CaulinitaAl4[Si4O10](OH)8

Empilhamento regular de camadas 1:1Uma folha de sílica (SiO4) e uma folha de gibsita Al2(OH)6

Baixa capacidade de troca catiônicaMenor plasticidade entre as argilas devido a forte ligação entre as camada no plano de clivagemFireclay mineral (argila refratária) é a caulinita mal-cristalizada

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Haloisita

Estrutura cristalina semelhante a caulinitaCamadas sucessivas estão deslocadas aleatoriamente ao longo das direções dos eixos a e bForma tubularDuas formas de haloisitas:

Haloisita-2H2O (meta-aloisita)Haloisita-4H2O (endelita)

Al4[Si4O10](OH)8

Al4[Si4O10](OH)8.4H2O

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Crisotila

Forma polimorfa do mineral serpentinaEstrutura cristalina semelhante a caulinitaApesar do aspecto fibroso e crisotila é um filossilicato lamelarMg6Si4O10(OH)8

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Esmectitas Estrutura de duas folhas de silicato tetraédricas e uma folha octaédrica central (2:1)Unidas por oxigênios comuns as folhasMontmorilonita, beidelita, nontronita, volconscoíta, saponita, sauconita, hectoritaSubstituição isomórficas do alumínio por silício no tetraedroSubstituição do alumínio, ferro e magnésio no octaedroAs camadas sucessivas são ligadas por ligações fracas

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Esmectitas... Moléculas de água ou moléculas polares de espessura variávelQuando a esmectita (montmorilonita) são colocados em água, os cátions trocáveis se hidratam e são mais sucetíveis a trocasA espessura interlamalar varia com a qualtidade de água disponível e das moléculas polares, sem alterar o valor da reflexãoFórmula geral (1/2Ca,Na)0,7(Al,Mg,Fe)4(Si,Al)8O20(OH)4.nH2OSubstituição isomórfica

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Esmectitas... Devido a fraca ligação entre as camadas, presença de água e a substituição isomórfica a clivagem entre as camadas é fácilPrpriedades de plasticidade e coloidaisGrandes variações nas propriedades físicasCátions Na, K, Li e NH4

É a única argila expansiva (+vermiculita)Diferença entre disperção e expançãoBentonitas são esmectitas provenientes de alteração de cinzas vulcânicas

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Esmectitas... Pag 60 e 61

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Ilita ou mica-hidratada

Micas que gradam em direção a argilasFórmula 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 sílicaDifere da muscovita por ter mais sílica e menos potássioPotássio interlamelar impede a entrada de água na estrutura e cátionsNão expansiva

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Ilita ou mica-hidratada...Pag 60, 61 e 62

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Ilita ou mica-hidratada...

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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 FeFórmula geral: (Mg,Al,Fe)12(Si,Al)8O20(OH)16

Pode ser encontrada nas rochas vulcânicas e metamórficas e como argilas em sedimentos argilosos

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Clorita...

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Vermiculita

Apresenta semelhanças estruturais com clorita e montmorilonitaA água interlamelar existe como na montmorilonita e o mineral pode expandir até certo limiteBiotita tratada com cloreto de magnésio em solução aquosa por longo período se transforma em vermiculita

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Argilas de camadas mistasArgilo-minerais que ocorrem na natureza em unidades compostasIlita, montmorilonita, clorita e vermiculita

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Sistema argila-águaFase dispersa é um sólidoFase dispersante é um líquido (água)Grau de dispersão:

Grosseira: partículas diâmetro superior 0,1µm, não passam em filtro comum, visíveis ao microscópio ópticoColoidal: 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, géisDispoersões moleculares: partículas diâmetro inferior 0,001mm, passam em ultra-filtros, invisíveis ao microscópio eletrônico

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Sistema argila-água...

Argilo-minerais são microcristais em forma de colóides ou suficientemente grandes para serem vistos ao microscópio óticoMoer uma argila significa destruir agregados naturais para aumentar a área específica10m2/g para caulinitas200m2/g para esmectitasFacilitam a troca de íons e penetração de água na estrutura

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Dimensões:Caulinita: placa hexagonais de 0,1µm a 3µm de diâmetroHaloisista: tubos 0,2µm de diâmetro externo e alguns micrômetros de comprimentoMontmorilonita: placas irregulares com diâmetos inferior a 1µm, podendo chegar a 10AIlita: placas irregulares com diâmetro de 1µm

Propriedades importantes: plasticidade, resistência mecânica (verde e seco), retração linear, compctação e viscosidade

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Propriedades físicas diferentes da água líquida (gelo)Estrutura rígida a partir da superfície do argilo-mineralDepende da natureza do argilo-mineral, dos íons adsorvidos na superfícieA água está adsorvida na superfície do argilo-mineral na forma de oxidrilas e hodroxilas (orientadas)Nas superfícies basais dos cristaisA espessura da camada de água rígida pode ser de tres ou mais moléculas e a passagem para água líquida pode ser brusca ou gradual

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Pode ser eliminada entre 100 e 150°CClassificadas em tres tipos segundo (estrutura do argilo-mineral):

Água líquida nos poros, superfície e nas arestasEsmectitas, vermiculitas, a água se encontra intercalada entre as camadas a definem a estrutura do argilo-mineralSe 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)

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Influência dos óxidos e hidróxidos absorvidos nas propriedades das argilas

Agentes dispersantes e floculantesNaOH como defloculante (OH-)Ca e Mg diminuem a espessura da camada de água devido a maior carga e pequeno raio atômicaNa aumenta a espessura na camada de água menor carga

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Importância do argilo-mineral e dos íons absorvidos nas propriedades dos solos

Capacidade de troca de íons que estão fixados na superfície, entre as camadas e dentro dos canais da estrutura cristanlinaPodem ser trocados por reação química ou por outros íons na solução aquosaPodem ser orgânicos e inorgânicosSem alteração da estrutura cristalinaInfluem nas propriedades físico-químicas e tecnológicas Plasticidade, resistência mecânica (verde e seco), viscosidade

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Cátions absorvidos nas propriedades dos solos...

Varia de 80 a 150 meq por 100g de esmectitaAté 3 a 15 meq por 100g de caulinitaÉ resultado do desequilíbrio de cargas resultante da substituição isomórfica na estrutura cristalina, das ligações quebradas nas arestas e da substituição de hidrogênio e hidroxilasOs íons trocáveis estão geralmente nas arestasNas esmectitas é devida a substituição isomórfica da camada tetraédricaNa caulinita é devida a ligações quebradasNas ilitas e cloritas é devida a ligações quebradas e a troca de íons potássio

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Cátions absorvidos nas propriedades dos solos...

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-mineraisColóide protetorGrande papel na propriedade de plasticidade (ball-clay)

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Qualidade das argilas por meio de ensaios geotécnicos

Comportamento do solo no estado natural (indeformado) ou estado deformadoAdensamento, permeabilidade, resistência ao cisalhamento, resistência à erosão, expansão/contraçãoAs propriedades são solicitadas em função do tipo de solicitaçãoPavimentação: compactação, resistência, contração, permeabilidadeBarragens: compactação, adensamento, permeabilidade, resistência ao cisalhamentoFundações: adensamento, colapsividade, resistência

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FIM

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