influência das propriedades químicas e mineralógicas

INFLUÊNCIA DAS PROPRIEDADES QUÍMICAS E MINERALÓGICAS NO
COMPORTAMENTO GEOTÉCNICO DE DOIS SOLOS RESIDUAIS
GRANÍTICOS
THE INFLUENCE OF CHEMICAL AND MINERALOGICAL PROPERTIES
ON THE GEOTECHNICAL BEHAVIOUR OF TWO GRANITIC RESIDUAL
SOILS
Duarte, Isabel M.R., Dep. Geociências, Univ. Évora, Portugal, [email protected]
Ladeira, Fernando L.* , Dep. Geociências, Univ. Aveiro, Portugal,[email protected]
Gomes, Celso S.F. * , Dep. Geociências, Univ. Aveiro, Portugal, [email protected]
RESUMO
A composição mineral, química e textural dos solos residuais reflecte-se, desde o processo de
amostragem, passando pelas características de identificação até às propriedades geotécnicas dos
solos. Apresentam-se os dados relativos a dois solos residuais de granitos do Alentejo, no que
respeita à composição química obtida por espectrometria de fluorescência de raios X (FRX), e
obtida por difractometria de raios X (DRX), assim como as respectivas características
geotécnicas: parâmetros granulométricos, limites de consistência, peso específico dos grãos,
expansibilidade, permeabilidade, equivalente de areia, resistência ao corte, compressibilidade e
compactação. Faz-se uma análise comparativa dos resultados obtidos para os dois solos
residuais. Este trabalho põe em evidência a influência que aspectos tão diferentes, tais como:
litologia, geomorfologia e clima, têm na génese e no comportamento geotécnico de solos
residuais de rochas graníticas do Sul de Portugal.
ABSTRACT
The mineral, chemical and textural properties of the residual soils is reflected upon the sampling
process, soil classification and soil geotechnical characteristics. This paper presents both
mineralogical and chemical properties of two residual soils developed on granitic rocks that
occur at the Alentejo region, Portugal, determined by X-ray diffraction and X-ray fluorescence
analyses respectively, and also some geotechnical parameters such as grain size distribution,
Atterberg limits, apparent density, expandability, permeability, sand equivalent, shear strength,
compressibility and compaction. A comparison of the experimental results and the field
observations corresponding to the two studied soils was carried out. The present paper shows
the influence that some distinct aspects, such as, rock lithology, climatic conditions and
geomorphologic characteristics display on the formation and geomechanical behaviour of the
studied granitic residual soils.
1. INTRODUÇÃO
Não é possível fazer-se uma avaliação geotécnica, completa e credível, dos solos residuais em
geral, e dos solos residuais de rochas graníticas em particular, sem o contributo fundamental da
*
Centro de Investigação “Minerais Industriais e Argilas” da FCT, Universidade de Aveiro, Portugal
análise dos dados texturais e químicos, em correspondência com a análise dos dados
mineralógicos.
A composição mineral, química e textural dos solos residuais reflecte-se, não só no processo de
amostragem, pela maior ou menor facilidade em obter amostras indeformadas, passando pelas
características de identificação, mas também nas propriedades geotécnicas dos solos,
nomeadamente, plasticidade, consistência, expansibilidade, permeabilidade, compressibilidade e
resistência.
A alteração compreende processos, alteração física e alteração química, que conduzem à
modificação dos materiais rochosos ocorrentes na superfície terrestre ou perto dela. A taxa de
alteração é função do tipo de rocha, clima (precipitação e temperatura) e geomorfologia [1]. O
tipo de alteração e a natureza dos seus produtos são fortemente influenciados pelo clima e
litologia. Os factores dominantes, que controlam o modo como a meteorização evolui, são a
precipitação e a temperatura média [2].
O solo residual é o material resultante da alteração da rocha mãe e que nunca foi transportado
do seu local de origem [3]. Este facto contribui para que os solos residuais dependam
grandemente das características herdadas da rocha mãe, principalmente no que respeita à
mineralogia, à textura e à estrutura, factores que são determinantes no seu comportamento
geotécnico.
Os solos residuais apresentam exigências específicas na sua identificação e caracterização. Para
além das classificações clássicas da Mecânica dos Solos, deverão incluir-se a descrição do perfil
de alteração e aspectos químicos, mineralógicos e físicos dos materiais presentes [4].
Os índices químicos permitem a caracterização do grau de meteorização química das rochas. A
utilização dos índices químicos assim como a identificação mineralógica dos solos residuais,
constituem importante ferramenta no estudo destes materiais, servindo de complemento aos
métodos de classificação convencionais, que nos solos residuais apresentam sérias limitações na
sua aplicação [5].
2. ENQUADRAMENTO REGIONAL
2.1. Aspectos geológicos, geográficos e geomorfológicos
Seleccionaram-se dois locais de estudo, na vasta região do Alentejo, distando entre si cerca de
200ikm. Ambos correspondem a solos residuais de granitos Hercínicos de quimismo calcoalcalino.
O granito de Marvão (com a referência 2, na Figura 1), enquadra-se na Zona Centro Ibérica
(ZCI), aflora no extremo NE do CEN-Complexo Eruptivo de Nisa [6], e contacta com os
terrenos Paleozóicos do sinclinal de Portalegre, que metamorfiza. Trata-se de um granito pósorogénico calco-alcalino, cinzento claro, de grão grosseiro, com grandes fenocristais de
feldspato e duas micas, entre as quais predomina a biotite. Do ponto de vista mineralógico,
destacam-se como minerais essenciais: quartzo, oligoclase, albite-oligoclase, micropertite,
microclina-pertite, biotite e moscovite; como minerais acessórios foram identificados:
turmalina, andaluzite, zircão, apatite, minerais de ferro e acidentalmente fluorite e silimanite. De
salientar que os feldspatos potássicos ocorrem muito caulinizados e um tanto sericitizados. Nas
plagioclases, também muito alteradas, é predominante a sericitização e, raramente, a alteração
origina calcite. A biotite apresenta halos pleocróicos, escuros, envolvendo cristais de zircão [7].
O solo residual do granito de Marvão foi estudado numa saibreira que apresenta um perfil de
alteração com espessura superior a 10 m, estando situado em plena Serra de S. Mamede a uma
cota aproximada de 800 m, no Concelho de Marvão, a 2 Km de Marvão. A região é acidentada
possuindo várias elevações que rondam os mil metros de altitude. Devido ao relevo acidentado e
ao micro-clima que se verificam nesta serra, uma das áreas mais pluviosas do Nordeste
Alentejano, existem condições favoráveis à escorrência das águas precipitadas nas encostas, e à
sua infiltração nas descontinuidades dos afloramentos rochosos e nas descontinuidades
"relíquia" dos solos expostos. Estes factores facilitam a drenagem e a infiltração, contribuindo
para que se verifiquem taxas elevadas de alteração física e química dos minerais primários
proporcionando a formação de minerais argilosos [8].
Figura 1 – Localização dos solos residuais: 1- Pias; 2- Marvão.
O solo residual do granito de Marvão é composto por areia grossa siltosa, branca acinzentada ou
amarelada. Trata-se de um solo muito friável e fácil de colher. Possui poucos grãos de quartzo e
onde os feldspatos se encontram praticamente alterados. Todavia, por vezes, observam-se
fenocristais de feldspato, assim como algumas biotites (2 - 5 mm) dispersas, as quais, quando
alteradas, conferem uma auréola ferruginosa à matriz branca.
Vertical e lateralmente o perfil apresenta-se relativamente homogéneo, no que respeita à
granularidade e cor, exceptuando algumas descontinuidades oblíquas. Colheram-se amostras
remexidas para os ensaios de identificação e compactação, e amostras indeformadas, a partir de
blocos ou em amostradores, para os ensaios de resistência mecânica e compressibilidade. Houve
dificuldades no processo de amostragem indeformada, porque o solo apresentava pouca coesão
entre partículas e como tal, desagregava-se com facilidade. Colheram-se amostras de rocha sã e
alterada para análise química e macroscópica [8][9].
O granito de Pias, o mais meridional de Portugal, (com referência 1, na Figura 1), situa-se
200ikm a sul do granito de Marvão, numa região plana. Este maciço granítico é alongado,
enquadra-se na Zona de Ossa Morena (ZOM), e está alinhado com megaestruturas tardias, mas
em desarmonia com os terrenos encaixantes, estando acompanhado normalmente de auréola de
metamorfismo de contacto [10]. Este granito, segundo [11], seria sin-F3 (3ª fase Hercínica).
A rocha-mãe é um granito de grão médio, cinzento claro, essencialmente biotítico, por vezes
porfiróide com pequenos fenocristais. A estrutura é hipidiomórfica granular, o quimismo é
calco-alcalino, e a composição mineralógica principal é a seguinte: microclina – pertite,
oligoclase (20 – 25 % An), quartzo e biotite. Entre os minerais acessórios contam-se:
mirmequite, moscovite, apatite, esfena, clorite, sericite, óxidos de ferro e, raramente, turmalina e
anfíbola [12].
O solo residual do granito de Pias, está situado numa região praticamente plana, a 13 km de
Pias, no Distrito de Beja, a uma cota aproximada de 180 m, onde os valores de precipitação
média anual se encontram entre os mais baixos de Portugal Continental, e onde a drenagem é
limitada pelos suaves declives do terreno, condicionando a lixiviação e mobilização dos
elementos químicos mais móveis. No perfil de alteração ocorre um solo residual com cerca de
8im de espessura, homogéneo quanto à cor e textura, mas com algumas diaclases relíquia; o
solo é composto por areias siltosas, por vezes argilosas, de cor esbranquiçada, bastante friáveis,
onde os grãos de quartzo são dificilmente observados; o solo apresenta alguma coesão, facto
que facilitou a colheita de amostras indeformadas e remexidas [9].
2.2. Características climáticas
Entre os diversos factores climáticos ou meteóricos, a precipitação e a temperatura, são os mais
influentes, tanto na fissuração e desagregação física das rochas, como nos processos de
alteração química dos minerais. Assim sendo, os factores referidos são os que mais contribuem
para a quantidade e qualidade dos solos resultantes da meteorização das rochas.
No Quadro 1 são apresentados os valores de precipitação média anual (R), temperatura média
anual (T) e temperatura máxima anual (Tm), obtidos em Estações Climatológicas referentes aos
locais estudados, num período de 30 anos (1951-1980), assim como as altitudes dos locais
objecto dos estudos (Hs).
Quadro 1 - Características climáticas respeitantes aos locais estudados.
LOCAL
Marvão
Pias
Hs (m)
865
180
R (mm)
909
524
T (ºC)
12,7
16,1
Tm (ºC)
39
43
A diferenciação térmica e pluviométrica entre as duas regiões é evidente, sendo controlada, em
primeiro lugar, pela disposição geral do relevo e, em segundo lugar, pela latitude [9].
3. CARACTERIZAÇÃO MINERALÓGICA E QUÍMICA
A variação e evolução dos teores dos elementos químicos maiores nos perfis de alteração
contribui para o conhecimento do tipo e intensidade da meteorização a que determinada rocha
foi sujeita. A identificação e semi-quantificação dos produtos de alteração, nomeadamente dos
minerais de neoformação, como é o caso dos minerais argilosos, sustenta, geralmente, tal
interpretação.
As propriedades mineralógicas passaram a ser determinadas cada vez com mais frequência,
desde que se reconheceu que as mesmas controlam as propriedades geotécnicas das rochas
alteradas e dos solos residuais e, o comportamento dos mesmos quando solicitados em obras de
engenharia [13] [14] [15].
3.1. Caracterização química
Amostras dos dois solos residuais e das rochas originais respectivas foram submetidas à análise
química por espectrometria de fluorescência de raios-X (FRX). Os resultados, expressos em
percentagens ponderais dos elementos químicos maiores, sob a forma de óxidos, constam no
Quadro 2.
Quadro 2 - Composição química de amostras dos granitos sãos e dos respectivos solos residuais.
Óxidos (%)
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MnO
CaO
MgO
Na2O
K2O
TiO2
P2O5
perdas ao rubro
Rocha sã
Marvão
Pias
71,92
71,40
15,04
15,04
1,56
2,17
0,04
0,07
0,40
1,23
<200 ppm
0,31
3,43
3,23
4,64
4,43
0,14
0,27
0,39
0,20
1,01
0,66
Solo residual
Marvão
Pias
59,53
57,08
25,07
20,70
1,84
2,63
0,02
0,07
0,04
4,32
0,16
1,51
2,55
2,36
4,97
4,17
0,13
0,32
0,19
0,24
5,24
6,31
Comparando a composição química dos granitos sãos e dos solos residuais respectivos,
constata-se que a meteorização proporcionou, no caso do solo residual de Marvão, uma
diminuição dos teores de certos elementos químicos, casos de Si, Ca e Na, por apresentarem
maior mobilidade geoquímica promovida pela lixiviação. Por sua vez o teor de Al aumentou de
forma significativa no solo residual, porque este elemento, tal como em parte o Si, tende a ficar
retido nos produtos da meteorização, que em regra são constituídos por aluminosilicatos
hidratados, como é o caso da caulinite, mineral que conjuntamente com a ilite/mica participam
maioritariamente na fracção argilosa do solo residual. Merece particular saliência o aumento
notável dos teores de perda ao rubro (P.R), que correspondem à evolução significativa da água
zeolítica e estrutural existente nos minerais argilosos, valores que só por si constituem bons
indicadores do grau da alteração química, e também da natureza e do teor global dos minerais
argilosos presentes.
No caso do solo residual de Pias, verifica-se também uma diminuição considerável de Si, mas as
condições de fraca drenagem imposta pela topografia do terreno, promovem a disponibilidade
de Mg e de Ca em quantidade suficiente para a formação do mineral argiloso esmectite.
Também devido às condições de drenagem deficientes, os teores de Al aumentam de uma forma
muito mais modesta neste solo.
Em ambos os locais estudados, o Fe tende a aumentar nos produtos de alteração, fixado nos
óxidos/hidróxidos presentes.
Com o objectivo de quantificar o grau de meteorização, utilizou-se o índice de lixiviação β [16]
que pode assumir valores entre 0 e 1, correspondendo este último valor à rocha sã (s.r. – solo
residual; r.s. – rocha sã). Para o solo residual do granito de Marvão obteve-se uma valor de β =
0,56 [8] e para o solo residual do granito de Pias, β = 0,62 [9], o que confirma a maior
lixiviação sofrida pelo solo residual do granito de Marvão.
O índice DECHAF – “degree of chemical absolute freshness”, proposto por [17], representa
ainda melhor a meteorização nos maciços rochosos estudados, uma vez que, por um lado
considera um maior número de elementos móveis que podem ser removidos durante a
meteorização, por outro considera a H2O+ como elemento remanescente nos produtos de
alteração, o que no caso dos solos estudados é relevante, devido aos valores consideráveis de
perda ao rubro. Os valores determinados para este índice de meteorização são de 0,50 para o
solo residual do granito de Marvão e de 0,81 para o solo residual do granito de Pias.
β =
DECHAF =
(K2O+Na2O) / Al2O3 s.r.
(K2O+Na2O) / Al2O3 r.s.
FeO+MnO+MgO+CaO+Na2O+K2O s.r.
+
Al2O3+Fe2O3+H2O
FeO+MnO+MgO+CaO+Na2O+K2O r.s.
Al2O3+Fe2O3+H2O+
(1)
(2)
3.2. Identificação mineralógica
A evolução química, avaliada anteriormente, é acompanhada, logicamente, por uma evolução
mineralógica. Foram analisadas amostras dos solos residuais graníticos de Pias e de Marvão
(fracção inferior a 0.425 mm), por difracção de raios-X (DRX). Os difractogramas
correspondentes aos dois solos, são apresentados na Figura 2.
Figura 2 - Secções dos diagramas de difracção de raios-X correspondentes aos solos estudados.
Utilizando-se os máximos de difracção específicos de cada um dos minerais presentes nas
amostras, pôde-se determinar a respectiva composição mineralógica aproximada.
Os solos residuais analisados apresentam na sua composição, quantidades abundantes de
quartzo (Q) e de dois tipos de feldspato (F), alcalino (Fk), e predominantemente calco-alcalino
(P), consoante a natureza da rocha-mãe.
A mica (M) e os interestratificados irregulares mica/ilite (M/I) constituem minerais cuja
presença é notória nos dois solos analisados.
Relativamente à presença de minerais argilosos identificados por DRX, todos eles filossilicatos
(Fi), salienta-se a existência de duas situações distintas:
i)
ii)
o mineral argiloso predominante no solo residual de Marvão é a caulinite (K) com
boa ordem estrutural; este solo desenvolve-se numa região onde o relevo é mais
acentuado, a pluviosidade é maior (Quadro 1), as condições de drenagem são boas e
a lixiviação é favorecida, contribuindo para a exportação dos catiões mais móveis,
como são os casos de Ca e Na, e para a concentração de alumina e sílica,
responsáveis pela formação daquele mineral argiloso;
o mineral argiloso que predomina no solo residual de Pias é a esmectite (E), que
apresenta elevado grau de cristalinidade; este solo pertence a uma das regiões mais
planas que ocorrem no Sul de Portugal, e onde a pluviosidade é menor (Quadro 1),
sendo mesmo uma das mais baixas do país; deste modo, a drenagem é dificultada e
a lixiviação condicionada, o que favorece a formação de minerais argilosos do
grupo da esmectite.
4. CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA
No Quadro 3 apresenta-se um resumo das características físicas e geotécnicas determinadas nos
dois solos residuais. As propriedades físicas determinadas "in situ", nomeadamente, o peso
específico nos estados natural (γo) e seco (γd), o teor de água natural (Wo) e o índice de vazios
(eo), foram avaliadas simultaneamente com a amostragem. Nas amostras colhidas, foram
realizados os ensaios de caracterização seguintes: análise granulométrica e limites de
consistência, nomeadamente o limite de liquidez (LL) e o limite de plasticidade (LP). Com os
resultados obtidos foi possível determinar os respectivos índices de plasticidade (IP), a
actividade dos solos (Act), o limite de retracção (LR), bem como parâmetros granulométricos:
diâmetro efectivo (D10), coeficiente de uniformidade (Cu) e coeficiente de curvatura (Cc).
Determinou-se ainda o equivalente de areia (EA), a expansibilidade (Exp), a permeabilidade
(K), o peso específico das partículas sólidas (γs), o peso volúmico seco máximo (γdmáx) e o teor
de água óptimo (Wópt.) nos solos seleccionados.
Com amostras indeformadas dos dois solos residuais, realizaram-se ensaios de corte directo em
caixa quadrada de 100 cm2 e ensaios de compressibilidade em célula edométrica para provetes
com 9,9 cm de diâmetro, os quais permitiram obter os valores dos parâmetros de resistência (c)
e ângulo de atrito (Ф), e ainda os valores dos índices de compressibilidade (Cc) e de
expansibilidade (Cs), respectivamente.
Pela análise do Quadro 3, pode-se verificar que apesar dos dois solos estudados possuírem uma
percentagem semelhante de argila, o solo residual de Marvão é uma areia siltosa bem graduada
ligeiramente plástica, mas com uma argila muito pouco activa. Os valores do ângulo de atrito,
da permeabilidade e do equivalente de areia, são superiores aos valores do solo residual de Pias.
Por seu turno, este último é classificado como areia argilosa mal graduada de plasticidade
média, mas com uma actividade elevada. Estas características estão em consonância com a
coesão, quatro vezes superior à do solo de Marvão, assim como com o valor determinado para a
expansibilidade. Quanto às características de compressibilidade, estas revelaram-se mais
sensíveis à micro-estrutura do solo, isto é, ao índice de vazios com que o solo foi ensaiado, que
pode estar directamente relacionado com o grau de lixiviação do solo.
Quadro 3 - Características físicas e geotécnicas dos solos residuais graníticos de Marvão (M)
de Pias (P)
solo
argila
residual (%)
silte
areia
(%)
(%)
68
51
D10
Cc
M
P
6
7
16
11
solo
residual
EA
Exp.
(%)
(%)
M
P
solo
residual
49
28
eo
8
14
3,4×10-5
1,7×10-5
wópt.
26,28
26,10
c
0,33
2,43
φ
(%)
(KPa)
(o)
M
P
0,792
0,602
15,6
16,6
6,7
24,42
32,7
29,6
γdmáx.
3
(KN/m
17,85
16,92
)
Cu
LL
LP
IP
(%)
(%)
(%)
33
42
31
25
2
17
0,02
0,013
2,5
5,2
40
123
K
γs
Act.
LR
wo
γo
γd
(m/s)
(KN/m3)
(%)
(%)
(KN/m3)
(KN/m3)
30
21
Cc
9,2
16,8
Cs
16,97
19,03
15,59
16,28
Classif.
unificada
Classif.
AASHTO
0,23
0,18
0,03
0,02
SM
SC
A-1-b
A-2-7(0)
5. CONCLUSÕES
Os solos residuais graníticos de Marvão e de Pias, resultam da alteração de granitos calcoalcalinos de composição química semelhante, mas a sua formação teve lugar em condições
geomorfológicas e climatéricas diferentes que promoveram o aparecimento de minerais de
neoformação ou secundários distintos, que influenciam significativamente as propriedades
geotécnicas dos solos residuais referidos.
O solo residual de Marvão fica localizado numa zona de relevo acidentado e pluviosidade
considerável, condições que favorecem a drenagem e lixiviação nos solos. O mineral argiloso
predominante é a caulinite.
O solo residual de Pias ocorre numa região plana e com valores de precipitação média anual
muito baixos, onde a drenagem é limitada e a lixiviação e mobilização dos elementos mais
móveis condicionada. O mineral argiloso predominante é uma esmectite.
Em termos de propriedades geotécnicas, as principais diferenças identificadas entre os dois
solos estudados manifestam-se, essencialmente, ao nível da plasticidade, actividade,
expansibilidade e coesão, parâmetros expressos por valores superiores no solo residual de Pias,
onde a esmectite é o principal mineral argiloso. Por outro lado, no ângulo de atrito e na
permeabilidade, as diferenças não são tão acentuadas, porque estas propriedades dependem
principalmente da granulometria dos solos, que não é muito díspar entre os dois solos. No que
se refere às características de compressibilidade, os dados obtidos revelam que estas dependem
essencialmente do índice de vazios inicial, o qual em amostras intactas, está directamente
relacionado com o grau de lixiviação, ou seja com o tipo de meteorização que pode ser
quantificado através de índices de alteração química como o β e o DECHAF.
Com os resultados dos estudos efectuados e aqui divulgados pretende-se chamar a atenção para
a influência que as partículas mais finas dos solos residuais têm no seu comportamento
geotécnico. Daí a importância da composição mineralógica como sendo parâmetro importante a
ter em conta para a classificação geotécnica dos solos residuais.
Por outro lado, este estudo vem reforçar a ideia de que factores, tais como o relevo e o clima,
condicionam mais o tipo de minerais de neoformação ou secundários existentes nos produtos de
alteração, e consequentemente a natureza dos solos residuais e respectivas propriedades físicas e
mecânicas, do que propriamente o tipo de rocha-mãe.
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