Mecanismos de Expansão

A mudança de volume dos materiais argilosos expansivos é causada pela combinação de vários fatores. A propriedade mais importante dos argilominerais expansivos é a capacidade de mudar de volume pela sorção de moléculas de água ou outros íons polares em sua estrutura. Os argilominerais possuem um diâmetro de grãos menores que 2 mm e uma forma cristalográfica em folhas. Estes fatores dão ao argilomineral uma área superficial muito grande e estas lhe conferem a propriedade de adsorção de água. Todos os argilominerais atraem água para as suas superfícies, mas somente alguns a conduzem para a sua estrutura interna, Figura 2.13.

Figura 2.13 – Diferentes tipos de água associada com a expansão cristalina.

Fonte: Velde (1992).

Os mecanismos de expansão das argilas podem ser mecânicos e/ou físico-químicos. Sendo o segundo um processo de grande complexidade, enquanto o primeiro é relacionado com a movimentação deste tipo de solo.

Para Taylor e Smith (1986), a expansão mecânica ocorre em resposta às forças de descompressão elástica e estão relacionadas ao fator tempo; na prática podem ser devido às escavações feitas pelo homem, à ação dos movimentos tectônicos e à erosão.

Segundo Neves (1993), os mecanismos de expansibilidade físico-químicos podem ser intercristalinos ou intracristalinos e osmóticos. Ou segundo Snethen et al. (1977), os mecanismos físico-químicos que determinam o potencial expansivo de um argilomineral são: atração superficial das partículas, hidratação de cátions e repulsão osmótica.

A expansibilidade intercristalina ocorre quando a absorção de água se faz através das superfícies externas dos cristais dos minerais argilosos e dos vazios entre esses cristais, ou seja, quando é possível a absorção de água no interior dos cristais ou entre as camadas estruturais. A água absorvida forma sucessivas camadas monomoleculares sobre as partículas dos minerais argilosos, afastando as unidades estruturais e as próprias partículas, (Neves, 1993). A ilita apresenta expansibilidade intercristalina devido à forte atração eletroestática gerada pelos íons monovalentes K+ que ligam as camadas estruturais e não permitem a entrada de água.

A atração superficial das partículas dos argilominerais é um mecanismo gerado pela magnitude das forças eletrostáticas provenientes das cargas elétricas negativas nas superfícies das partículas dos argilominerais, que tendem a ser compensadas pela atração de cátions que se encontram em solução na água livre dos poros e particularmente por moléculas polares, como as da água.

Presa (1984) conclui que a influência deste mecanismo na mudança de volume provém do esforço desenvolvido para neutralizar o desequilíbrio das cargas. Desta forma, a quantidade de água na dupla camada aumentará até que ocorra uma suficiente mudança de volume na massa do solo.

A hidratação, segundo Presa (1984), ocorre devido às substituições isomórficas e cátions adsorvidos, que originam uma variação de carga e consequentemente aumentam a capacidade de atração de moléculas de água (hidratação), ocasionando variações de volume. Este mecanismo influencia na expansibilidade pelo aumento que o raio iônico dos cátions sofrem à medida que vão sendo hidratados, gerando um aumento de volume na massa de solo.

A repulsão osmótica ou expansibilidade osmótica é um mecanismo importante em condições de umidade e concentração iônica elevadas pois a partir dele se originam as maiores alterações de volume. Olphen (1963) afirma que no processo de expansabilidade osmótica são conhecidas duas fases:

a) Primeira fase: Em virtude das diferenças de concentração iônica ocorre a entrada das moléculas de água entre as camadas dos argilomineirais, ou entre as superfícies planas

das partículas adjacentes, tendendo a separá-las (interação eletroestática entre as superfícies e os cátions dispersos e a energia de adsorção das moléculas de água). Junto à superfície estruturante da argila ocorre a maior concentração de água e diminui cada vez que se afasta dessas camadas. Segundo Pereira (2004), nessa fase o contato da água com concentrações iônicas diferentes permite o ingresso de água com a finalidade de equilibrar as diferenças de concentrações, resultando num aumento da dupla camada e consequentemente no volume do solo;

b) Segunda fase: as superfícies das partículas estão já separadas por distâncias superiores a quatro camadas monomoleculares de água, sendo por isso a energia de adsorção já relativamente reduzida, o que permite que a energia de repulsão da dupla camada elétrica se sobreponha. Com a continuação da adsorção de moléculas de água a referida distância tende a aumentar e com ela as forças de repulsão (Olphen, 1963).

Di Maio (1996) complementa o conceito de expansibilidade osmótica citando a dependência desse processo em relação a natureza dos cátions trocáveis. As argilas em que o cátion trocável e o sódio exibem uma expansibilidade muito maior que aquelas em que esse papel é assumido pelo cálcio. Isto porque os cátions monovalentes, e em fraca concentração, originam pressões de expansão superior devido à formação de duplas camadas elétricas mais extensas. Assim, a adição de produtos à base de cálcio, nomeadamente a cal, é um dos processos existentes para diminuir a expansibilidade das argilas, embora nem todos os minerais argilosos apresentem este tipo de expansibilidade, especialmente os minerais de maiores dimensões.

Dependendo do nível de interação entre moléculas de água e a superfície do argilomineral, haverá a expansão intercamadas essencialmente osmótica ou estrutural em nível cristalino. A expansão intracristalina ocorre devido às forças atrativas que ligam as camadas estruturais serem menores que as responsáveis pela absorção de água (Gillott, 1993 apud Pereira, 2004). Desta forma, a água absorvida forma diversas monocamadas sobre as superfícies dos argilominerais, separando suas partículas ou suas unidades estruturais (Figura 2.14).

A expansibilidade intracristalina é justificada pelo desequilíbrio entre as forças atrativas que ligam as camadas estruturais (inferiores) e as forças atrativas responsáveis pela absorção de água e depende da natureza cristalográfica do argilomineral, (Gillot, 1987). Como nas argilas predominam cargas eletronegativas, quando estas entram em contato com a água, seus íons H+ são atraídos pelas partículas de argila e ocupam posições entre as lâminas cristalográficas, separando-as para atraí-los. Resultando em “dupla camada” (várias capas de molécula de água

fortemente adsorvidas). Existindo cátions trocáveis, cada cátion tende a rodear-se de dipolos de água, em consequência, há um aumento do espaço laminar e, com isso, do inchamento. Figura 2.14 – Absorção de água por argilominerais: a) adsorção intercristalina de água num argilomineral do tipo 2:1 não expansivo (ilita); b) absorção intracristalina de água num argilomineral do tipo 2:1 expansivo (motmorilonita).

Fonte: Gillott (1987).

A absorção de água pelas superfícies internas dos argilominerais é influenciada pelo tipo de cátions intercalar, por exemplo, as montmorilonitas cálcicas absorvem até duas camadas monomoleculares de água, enquanto as montmorilonitas sódicas, podem absorver um número maior. As esmectitas, vermiculitas, cloritas expansivas, haloisitas e alguns minerais interestificados apresentam expasibilidade intracristalina (Pereira, 2004).

A expansão cristalina vai depender, sobretudo da energia livre superficial, ou seja, da afinidade da superfície sólida com a água. Este processo é muito importante nos argilominerais do grupo das esmectitas e praticamente ausentes nas argilas que não apresentam cátions intercamadas, como caulinita, por exemplo.

Roo (2006) considerou três fases para o processo de deformação de expansão e/ou colapso do solo, Figura 2.15. O Inicial - a intervalos de menos de 1 minuto, há pequenas deformações no solo e a água se infiltra apenas na periferia; Primário - intervalo de 1 a 300 minutos, a água se infiltra a partir da periferia para o centro, umidificando o solo progressivamente, ocorrendo deformações com maior intensidade; Secundário - intervalo superior a 300 minutos, a água chega ao centro do núcleo, e os espaços vazios são quase completamente cheios de água e a velocidade da deformação diminui. O autor conclui que as deformações iniciais estão

associadas com a microestrutura, enquanto que as deformações primária e secundária estão associadas com a macroestrutura.

Figura 2.15 – Comportamento da variação de deformação no período de tempo sob tensão (a) pequena alteração na umidade do solo, (b) mudança de umidade na periferia do solo, (c) apenas o núcleo central mantém a umidade inicial, (d) não há mudança na umidade do solo.

Fonte: Ferreira (2010).