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Caracterização Mineralógica de Amostras de Solo Compactadas Com e sem Adição de um Agente Precipitador de Carbonato de Cálcio Claudia Maricela Gómez Muñetón Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected] Edi Mendes Guimarães Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected] Jose Camapum de Carvalho Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected] Fernando Araripe Torres Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected] RESUMO: Grande parte do território brasileiro encontra-se recoberto por solos lateríticos, esses dependendo do tipo de obra podem atender as características técnicas exigidas e quando um solo não é apto, muitas vezes precisa ser melhorado para poder ser empregado. Técnicas diversas têm sido desenvolvidas para tais fins. Com o avanço da tecnologia e com a globalização surgiu a interdisciplinaridade e a incursão de outras áreas do conhecimento no âmbito da engenharia. É por isso que a biotecnologia está sendo foco de grande interesse para aplicações na engenharia. A biomineralização induzida em solos apresenta-se como uma alternativa para melhorar as propriedades dos solos além de oferecer a possibilidade de gerar um menor impacto ambiental e uma redução de custos. Este artigo apresenta os resultados obtidos para ensaios de difração de raios X em amostras de solo compactadas com energias de compactação correspondentes ao Proctor normal e ao Proctor intermediário. Somada à variação de energia de compactação as amostras foram analisadas com e sem adição de um meio nutritivo indutor da atividade bacteriana nativa do solo visando determinar a presença de uma precipitação induzida de carbonato de cálcio (CaCO3). PALAVRAS-CHAVE: Solo laterítico, mineralogia, biomineralização 1 INTRODUÇÃO Desde a antiguidade até a época atual o solo tem sido considerado como matéria prima importante para as obras civis. Atualmente, o crescimento populacional e os avanços industriais exigem grandes desenvolvimentos nas técnicas de projeto e execução de tais obras, assim como materiais de melhor qualidade com comportamento e propriedades físico-químicas, mineralógicas e estruturais adequadas. Nesse sentido, em alguns casos apresentam-se dificuldades quanto à disponibilidade desses materiais e mesmo quanto à real possibilidade de serem empregados, pois normalmente podem ser gerados acréscimos nos custos de transporte

e exploração e grandes impactos ambientais. Dentro desse contexto, o Brasil, por ser um pais de dimensões continentais, requer para o seu crescimento econômico e para a melhoria das condições de vida da população, forte necessidade de desenvolver uma infraestrutura de transporte que permita atender a todas essas demandas. Se por uma lado existe a necessidade de ampliação e melhoria da malha viária brasileira, por outro, faz-se necessário superar os desafios impostos pela escassez de solos apropriados para a construção das vias. Quando os solos não possuem os requisitos técnicos necessários faz-se necessário melhorá-los por meio técnicas como as das estabilizações granulométricas e químicas. No

COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.

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entanto, pouco se tem estudado sobre a possibilidade de utilização da biotecnologia na melhoria das propriedades e comportamento dos solos para os fins objeto da discussão. Atualmente, o estudo da biotecnologia, mais especificamente da biomineralização na engenharia civil, está ganhando muito interesse. A biotecnologia, neste caso, é definida como o processo mediante o qual os organismos vivos, produzem sólidos inorgânicos ou ainda minerais que são precipitados alterando as propriedades e o comportamento dos solos São várias as aplicações que podem ser dadas no uso da biomineralização na engenharia civil, dentre elas a melhoria das propriedades de permeabilidade do solo (Whiffin, 2007). Segundo Hammes & Vestraete (2002), as bactérias têm grande importância durante o processo de biomineralização devido à habilidade que elas apresentam para criar ambientes alcalinos mediante seus processos metabólicos. Para que a biomineralização seja gerada devem ocorrer varias reações químicas entre íons ou compostos específicos, as quais podem ser produto de um processo metabólico microbiano tal como a fotossíntese e a degradação de uréia, entre outros. Segundo Valencia (2007), a carbonatogênese, nome dado ao processo de precipitação de carbonato de cálcio, é simples e governado por quatro fatores principais: i) concentração de cálcio (Ca2+), ii) concentração da Dissolução do Carbono Inorgânico, iii) pH, iv) disponibilidade de nucleação do local. Na reação química mediante a qual se dá a precipitação de carbonato de cálcio os cátions cálcio se unem aos íons de carbonato para formar carbonato de cálcio (Equação 1). Ca2+ + CO3

2- ↔ CaCO3 ↓ (1) Lee (2003) afirma que a disponibilidade de íons de Ca e CO3 favorecem consideravelmente a precipitação de CaCO3, no entanto, a população bacteriana também é muito importante. Destaca-se que um ambiente com uma população muito grande de bactérias pode reduzir a precipitação de CaCO3 devido a que elas restringirão a disponibilidade relativa de

nutrientes e, portanto, a produção deste mineral seria inadequada (Stock – Fischer et al., 1999). Na engenharia civil são muitas as pesquisas relacionadas com biomineralização visando à melhoria do comportamento mecânico e das propriedades físicas dos solos. Whiffin (2007) reitera que do ponto de vista geotécnico o potencial de precipitação de CaCO3 como resultado do metabolismo microbiano poderia ser uma importante maneira de adequar as propriedades dos solos àquelas necessárias. Metodologias como a bioinduração (selagem dos poros do solo), bioremediação (restauração de concretos) e bioestabilização (precipitação de minerais cimentantes dos grãos do solo) são estudadas com fins de engenharia civil (Gómez, 2006). Segundo Donald Gray (2001) apud Gómez (2006) são muitas as vantagens do uso de microrganismos para induzir melhoria nas propriedades dos solos, pois eles além de trabalhar em ambientes hostis conseguem trabalhar em solos onde a porosidade é muito pequena. No entanto, a biomineralização requer um estudo detalhado das condições que governam o sistema biológico de interesse, assim como a composição e a estrutura dos biominerais produzidos. Outro ponto que se deve ressaltar no uso da biotecnologia com fins de estabilização de solos, está focado na necessidade de se obter um bom conhecimento da bioquímica e da microbiologia dos microorganismos, além da química do solo, pois estes fatores são os mais importantes durante a realização dos processos de melhoria das propriedades mecânicas do solo. Neste artigo são apresentadas as análises mineralógicas realizadas mediante a técnica de difração de raios X para amostras de solo compactadas com e sem adição de um meio nutritivo indutor da atividade bacteriana nativa do solo com a finalidade de determinar a presença de carbonato de cálcio precipitado pela atividade bacteriana. Também são apresentados os resultados das análises granulométricas como complemento dos resultados de DRX. 2. MATERIAIS E MÉTODOS


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O solo objeto do estudo foi coletado na área de influência da voçoroca localizada na cidade satélite de Santa Maria no Distrito Federal (Figura 1). A coleta foi realizada na profundidade entre 3,5 m e 4,5 m. Segundo Gómez (2009) trata-se de um solo laterítico do tipo LA’-LG’.

Figura 1. Local de coleta do solo objeto do estudo (Google earth, 2009). Para possibilitar a atuação bacteriana na estabilização do solo misturou-se à água de compactação o meio nutritivo denominado B4, composto de 15 g de acetato de cálcio, 4 g de extrato de levedura e 5 g de glicose em 1000 ml de água destilada. No estudo foram compactados corpos de prova cilíndricos com o solo natural e com o solo misturado ao meio nutritivo B4. Em ambos os casos o solo foi compactado na umidade ótima e peso específico aparente seco máximo obtidos para as energias de compactação Proctor Normal e Proctor Intermediário. Após a compactação variou-se a umidade de cura dos corpos de prova compactados em ambas as energia de modo a se ter três condições: umidade 3% inferior à ótima, umidade 3% superior à ótima e umidade ótima. O período para a cura dos corpos de prova foi de 15 dias, tempo necessário para que a precipitação de carbonato de cálcio seja efetiva (Valencia, 2007). Dessa forma foram obtidos seis tipos de amostras com adição de meio nutritivo B4 como mostrado na Tabela 1. O solo sem adição de meio nutritivo B4 foi denominado solo natural (SN). Tabela 1. Condições de cura dos corpos de prova.

ENERGIA NORMAL ENERGIA INTERMEDIÁRIA

Ramo seco B4NS Ramo seco B4IS

Umidade ótima B4NO Umidade ótima B4IO

Ramo úmido B4NU Ramo úmido B4IU

Quando atingida a umidade desejada, os corpos de prova foram recobertos com filme de PVC e de alumínio, para posteriormente serem armazenados na câmara úmida em caixas de isopor. Terminado o período de armazenamento, esses foram retirados para a realização dos ensaios de análise granulométrica e análise mineralógica. Para a realização das análises mineralógicas, os corpos de prova após o período de cura foram secos ao ar e destorroados. 2.1 Caracterização granulométrica Para determinar os teores granulométricos das amostras de solo foram realizados ensaios de granulometria por sedimentação com e sem uso de defloculante, como descrito pela norma NBR 7181/84. Também foram realizados ensaios de análise granulométrica mediante o emprego do granulômetro a laser. Neste caso foram usados defloculante e ultrasom. A finalidade desses ensaios foi verificar a variação de textura quando adicionado o meio nutritivo B4. 2.2. Caracterização mineralógica As características físicas dos solos estão diretamente ligadas à composição químico-mineralógica dos mesmos. Existem muitos métodos para a determinação dos minerais de um solo, dentre eles a difratometria de raios-X. Resende et al. (2005) afirmam que essa técnica é a mais poderosa ferramenta para identificar compostos cristalinos no solo, particularmente aqueles presentes na fração argila. Para a realização das análises as amostras foram destorroadas e montadas numa lamina de alumínio vazada apoiada sobre uma superfície lisa. A separação da fração argila foi realizada por dispersão de 10 g de solo em água, sendo a mistura posteriormente submetida a


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centrifugação durante 7 minutos a 750 rpm. A solução em suspensão foi levada novamente para centrifugação a 1500 rpm. Com esse processo a fração argila foi separada por decantação. Com a fração argila preparou-se lâminas com as partículas orientadas. Secou-se as lâminas ao ar e em seguida realizou-se as análises de DRX. A totalidade das análises foi realizada no laboratório de Difratometria de Raios-X da UnB em equipamento RIGAKU D/MAX – 2/C operando com tubo de cobre, sob voltagem de 35 kv e 15 mA. Para a interpretação dos difratogramas foi usado o programa JADE 3.0 da MDI que faz uma procura automática dos picos dos minerais em um banco de dados mineralógicos do International Center for Diffraction Data. 3. RESULTADOS E DISCUSÕES Todos os difratogramas obtidos para as amostras totais (Figura 2) mostraram que a composição mineralógica das amostras é basicamente caulinita, hematita e gibbsita. No entanto, algumas dessas amostras também apresentaram conteúdo de quartzo com picos bem definidos, especialmente para a amostra de solo natural (SN). Essa presença do quartzo para umas amostras e a inexistência do mesmo para outras, pode ser atribuída ao processo de amostragem, no qual alguns grãos de quartzo puderam ficar na amostra, gerando assim uma heterogeneidade da mesma em relação as demais.

Figura 2. Difratogramas das amostras totais Os difratogramas obtidos para as frações argila (Figura 3) mostram que todas as amostras com adição do meio nutritivo apresentaram composição mineralógica similar à apresentada pelo solo natural. Nota-se, porém, que a intensidade dos picos melhor definidos nos difratogramas apresentados na Figura 3 (picos correspondentes à caulinita), tende a diminuír com o aumento do teor de umidade nas amostras tratadas. Destaca-se que as amostras para cada energia de compactação foram compactadas na condição ótima e que os teores de nutriente foram praticamente idênticos tendo variado somente a umidade de cura, ou seja, o grau de saturação para o qual se deu a atuação bacteriológica durante o tempo de cura. A Figura 4 mostra que a intensidade do pico principal da caulinita medido da base ao topo do pico diminuiu com o aumento do grau de saturação (Sr), fazendo sobressair que as bactérias teriam agido de modo diferente segundo a condição de saturação em que se encontrava o solo no momento da cura. A porosidade inicial por sua vez, não se mostrou como fator relevante para a ação bacteriana. A redução da intensidade de pico quando da presença de carbonato de cálcio já é algo conhecido na literatura (Camapum de Carvalho, 1985) e a tendência observada na Figura 4 se explicaria por sua presença em quantidade crescente com o grau de saturação. O não surgimento de picos bem definidos aponta para o baixo grau de cristalinidade dos minerais eventualmente formados no tempo de cura utilizado. Destaca-se ainda a presença quase nula de argilominerais expansivos em quase todos os difratogramas com exceção das amostras B4IO e B4NO, nas quais os traços desses picos são ainda mais discretos.

Picos de quartzo Picos não identificados


4

a) SN

b) B4IS

c) B4IO

d) B4IU

e) B4NS

f) B4NO

g) B4NU

Figura 3. Difratogramas da fração argila

0500

1000150020002500300035004000

50 60 70 80 90 100

Sr (%)

Altu

ra d

o pi

co (c

ount

s)

P. Normal P. Intermediário


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Figura 4. Variação da intensidade de pico na difratometria de raios X em função do grau de saturação. As tabelas 2 e 3 apresentam a síntese dos minerais constituintes de cada uma das amostras estudas. Tabela 2 Composição mineralógica dos solos compactados com a energia intermediária

SOLO TIPO DE AMOSTRA MINERALOGIA

Amostra total

Quartzo, caulinita, gibbsita, hematita Solo Natural

SN Fração argila

caulinita, gibbsita, hematita

Amostra total

Quartzo, caulinita, hematita

Fração argila

caulinita, gibbsita, hematita, ilita, ilita-

montmorillonita

Solo com B4

(Umidade ótima) B4IO Amostra

glicolada caulinita, hematita,

gibbsita, Goetita

Amostra total

Quartzo, caulinita, gibbsita, hematita,

rutilo

Solo com B4 (Ramo seco)

B4IS Fração argila


Amostra total

caulinita, gibbsita, hematita Solo com B4

(Ramo úmido) B4IU Fração

argila caulinita, gibbsita,

hematita

Com base nos resultados obtidos para os ensaios de granulometria (Tabela 4 e Tabela 5), observa-se que na análise granulométrica com o uso de defloculante ocorreu redução na fração argila depois da adição do meio nutritivo B4, apontando assim para a maior estabilidade dos agregados nos solos tratados. Tabela 3 Composição mineralógica dos solos compactados com a energia normal

SOLO TIPO DE AMOSTRA MINERALOGIA

Amostra total

Quartzo, caulinita, gibbsita, hematita Solo Natural

SN Fração argila


Amostra total


Solo com B4

(Umidade ótima) B4NO

Fração argila

caulinita, gibbsita, hematita, ilita

Amostra total



B4NS Fração argila


Amostra total

Quartzo, caulinita, gibbsita, hematita Solo com B4

(Ramo úmido)B4NU Fração

argila caulinita, gibbsita,

hematita

Os resultados similares obtidos entre a amostra natural e as tradadas no ensaio de granulometria a laser com o uso de defloculante e de ultrasom indicam que os agregados formados que resistem ao defloculante não resistem ao ultrasom. Tabela 4 Textura das amostras compactadas na energía intermediária

SOLO AMOSTRA % Areia

% Silte

% Arg

Sed sem Def 90 6 4 Sed com Def 36 19 45 Solo Natural

SN GL Def + Ult 10 65 26 Sed sem Def 82 16 2 Sed com Def 43 25 32

Solo com B4 (Umidade

ótima) B4IO GL Def + Ult 12 66 22

Sed sem Def 83 16 2 Sed com Def 43 24 32


B4IS GL Def + Ult 9 68 23 Sed sem Def 77 21 2 Sed com Def 47 23 30

Solo com B4 (Ramo úmido) B4IU GL Def + Ult 10 65 25

Tabela 5 Teores granulométricos para amostras compactadas na energía normal

SOLO AMOSTRA % Areia

% Silte

% Arg

Sed sem Def 90 6 4 Sed com Def 36 19 45 Solo Natural

SN GL Def + Ult 10 65 26 Sed sem Def 82 16 2 Sed com Def 48 18 34

Solo com B4 (Umidade

ótima) B4NO GL Def + Ult 8 68 24



B4NS GL Def + Ult 9 67 23


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Solo com B4 (Ramo úmido) B4NU GL Def + Ult 10 63 27

A Figura 5 obtida para os resultados de granulometria oriundos dos ensaios de sedimentação realizados com o uso de defloculante, mostra que o teor de argila tende a diminuir e, portanto, a estabilidade dos agregados tende a aumentar com a redução da intensidade do pico principal da caulinita determinada a partir dos difratogramas de raios x. As amostras foram compactadas na condição ótima das energias Proctor Normal e Intermediário e curadas em diferentes umidades. Estes resultados corroboram com aqueles mostrados na Figura 4 em que se mostrou que as intensidades de pico aumentavam com o grau de saturação de cura. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS As análises mineralógicas apresentadas mostram ser a caulinita o principal mineral de argila presente no solo. caulinitaOs resultados apontam para o aumento da biomineralização surgida no solo com o aumento do grau de saturação no momento da cura em presença do meio B4. As análises mineralógicas corroboram com esse indicativo de presença de biomineralização gerada pelas bactérias nativas quando em presença do meio B4. O não aparecimento de picos claros para os minerais gerados apontam para o baixo grau de cristalinidade desses compostos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq e à UnB pelo apoio ao desenvolvimento dessa pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS Camapum de Carvalho, J. (1985) Etude du comportement

mécanique d'une marne compactée. Tese de Doutorado, Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse, França, 181 p.

Gómez Muñetón, C.M. (2009) Uso de biotecnologia na melhoria de solos para fins de pavimentação

rodoviária. Dissertação de Mestrado. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental. Universidade de Brasília, Brasília, DF, 98 p.

Gómez, E. (2006) Evaluación de las propiedades geotécnicas de suelos arenosos tratados con bacterias calcificantes. Dissertação de Mestrado, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia, 147 p.

Hammes, F. & Verstraete, W. (2002) Key roles and calcium metabolism in microbial carbonate precipitation. Environmental Science & Bio/Technology 1, p. 3-7.

Lee, Y. N. (2003) Calcite Prodution by Bacillus amyloliquefacies CMB01. Journal of Microbiology, 41 (4), p. 345-348.

Stocks-Firscher, S., Galinat, J. & Bang, S. (1999) Microbiological precipitation of CaCO3. Soil Biology & Biochemistry, 31, p. 1563-1571.

Valencia, Y. (2007) Influência da biomineralizacão nas propriedades físicas e mecânicas de um perfil de solo tropical afetado pela erosão. Relatório interno sobre exame de qualificação. Publicação G.RI.YVG - 01A/07. Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 51p.

Whiffin, V., Van Paasen, L. A., Harkes, M. P. (2007). Microbial carbonate precipitation as a soil improvement technique. Geomicrobiology Journal, 24, p. 1-7.

Zilli, J., Gouvea, N., Da Costa, H. & Prata, M. C. (2003). Diversidade Microbiana como indicador da qualidade do solo. Cadernos de Ciência & Tecnologia, Brasília, 20 (3), p. 391-411.


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