Faculdade de Ciências e Tecnologia Departamento de ... · químicas das rochas por acção de agentes atmosféricos (chuva, vento, variações de temperatura) e de outros agentes

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

FUNDAMENTOS DE GEOTECNIA CAP.4 – PRODUTOS DE ALTERAÇÃO DAS ROCHAS

IV-1

ÍNDICE

1. ALTERAÇÃO DAS ROCHAS ............................................................................................. 2 1.1 Mecanismos de alteração química................................................................................. 4 1.2 Mecanismos de alteração física..................................................................................... 4 1.3 Mecanismos de alteração física e química .................................................................... 4

2. MINERAIS DAS ARGILAS ................................................................................................. 5 2.1 Classificação dos minerais argilosos ............................................................................. 5 2.2 Propriedades físico-químicas das argilas .................................................................... 10

3. FORMAÇÃO DO SOLO.................................................................................................... 13

FONTES DE INFORMAÇÃO E MAIS LEITURAS EM: ........................................................ 15


IV-2

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-3

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-4

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 (Fe3+)

Carbonatação – Combinação de CO3--ou HCO3

- 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-5

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) – 4O2-, 1 Si4+ (Figura 2)

Octaédricas (unidade alumina) – 6O2- (ou OH-), 1 Al3+ (ou Mg2+) (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-6

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-7

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-8

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-9

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-10

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 m2/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 (m2/g)

Caulinite 10-30 Ilite 70-140

Clorite 50-150 Montmorilonite 700-800

Vermiculite 700-800

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-11

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-12

Actividade

A actividade das argilas é expressa pelo índice de actividade de Skempton:

Ac = 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++ > NH4+ > 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 inferiores tetraedricas

Camada intermédia 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 (145-165 MA). Consiste em Montmorilonite (>80%) + Beidelite


IV-13

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-14

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 11 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 22, 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 http://courses.smsu.edu/ejm893f/creative/glg110/Weathering.html#page123) 2 (in http://www.cst.cmich.edu/users/Franc1M/esc334/lectures/origin.htm)


IV-15

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). : 605–645. 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-16

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: 214-236.

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