Os solos são feitos de partículas que se formam quando as rochas se quebram. De acordo com a NBR 6502:1995, os solos podem ser classificados por tamanho de partícula em:
- Pedregulhos: 2 a 60 mm.
- Areias: 0,06 a 2 mm.
- Silte: 0,002 a 0,06 mm.
- Argilas: menores que 0,002 mm.
Partículas maiores, como pedregulhos e areias, são principalmente grãos de sílica. Partículas menores, como silte e argila, são compostas de pequenos minerais que se formam a partir de mudanças químicas nas rochas.
3.1 Meios Granulares
Entre as propriedades hidrodinâmicas dos meios porosos granulares, a “condutividade hidráulica” (K) destaca-se como uma medida importante. Ela representa a capacidade do material de permitir a passagem de água, conforme descrito pela Lei de Darcy, formulada pelo engenheiro francês Henry Darcy em 1856. Outra propriedade relevante é a permeabilidade intrínseca (k), que depende apenas da estrutura do material granular e não das características dos líquidos que o atravessam. Essa propriedade é válida para materiais sem presença significativa de argila ou silte. Nos solos argilosos, a permeabilidade é mais complexa e continua sendo um tema de pesquisa.
O movimento dos fluidos no solo é complexo e depende da distribuição dos grãos, estrutura e porosidade do solo. A velocidade dos fluidos é descrita como velocidade de fluxo ou velocidade de Darcy. Darcy demonstrou experimentalmente que a vazão (Q) é proporcional à área (A) e à variação da carga hidráulica (Δh), e inversamente proporcional ao comprimento da seção (ΔL), com o coeficiente de permeabilidade (K) descrito na equação de Darcy. Porém, quando falamos em água, usamos a equação de Boussinesq, que considera a energia da água como carga hidráulica (h). Devido às baixas velocidades de fluxo no solo, a energia cinética é geralmente desprezada.
- Permeabilidade intrínseca em meios granulares
A permeabilidade intrínseca em meios granulares é a capacidade desses materiais porosos, como areia ou cascalho, de permitir a passagem de fluidos através deles, sem se importar com que tipo de fluido seja. Ela é determinada pelas características da matriz porosa, como tamanho e forma dos grãos, porosidade e como os grãos estão dispostos.
Existem diferentes equações empíricas para calcular essa permeabilidade, sendo a equação de Kozeny-Carman uma das mais usadas. Ela relaciona a permeabilidade com a porosidade e a superfície específica do solo. Essa equação tem sido bem aceita para meios granulares sem a presença de silte ou argila, mas para solos com esses elementos, a relação entre a permeabilidade intrínseca e o líquido que passa por eles pode variar devido às interações entre as cargas elétricas das partículas e os fluidos.
3.2 Meios Argilosos
- Propriedade das argilas
As argilas, compostas principalmente por silicatos hidratados de alumínio, ferro e magnésio, são minerais de granulação fina que se tornam plásticos ao serem umedecidos com água. Essas partículas, geralmente menores que 0,002 mm de diâmetro, são referenciadas como argilominerais.
Os filossilicatos, um dos grupos mais comuns de argilominerais, apresentam uma estrutura em camadas, sendo subdivididos em diversos subgrupos, como caulinita, esmectita e vermiculita. A estrutura em camadas dos filossilicatos proporciona uma grande área de superfície, o que influencia diretamente propriedades como a capacidade de retenção de água e a troca de íons. Essas características são essenciais para entender o comportamento macroscópico do solo, incluindo sua expansividade e retenção de água.
A capacidade de troca catiônica (CTC), medida em miliequivalentes por 100 gramas, varia significativamente entre diferentes tipos de argilas. Por exemplo, enquanto a CTC da caulinita pode variar de 3 a 15 mEq/100 g, na esmectita pode variar de 80 a 150 mEq/100 g. Essa diferença na CTC influencia fortemente as propriedades macroscópicas das argilas.
(Solicitar imagem dos tipos de argila)
Como mencionado anteriormente, uma das características dos argilominerais são as cargas negativas que eles possuem na superfície. Essas podem ser neutralizadas pela adsorção de cátions hidratados, formando uma dupla camada iônica. Helmholtz propôs inicialmente, em 1853, que essa camada era fixa, com os cátions firmemente ligados à superfície. Em 1913, Gouy introduziu a ideia de uma camada difusa, onde os íons podiam se mover devido à agitação térmica e forças externas. Stern, posteriormente, combinou esses modelos, sugerindo uma camada de íons rigidamente adsorvida seguida por uma camada difusa.
No campo da geotecnia, o comportamento dos solos argilosos, que pode variar entre estados líquido, plástico, semissólido ou sólido, depende da umidade. Os limites de plasticidade (LP) e de liquidez (LL) determinam esses estados, e a diferença entre eles é o índice de plasticidade (IP), que indica a faixa de umidade em que o solo é plástico. Essa plasticidade depende da quantidade e do tipo de argilomineral presente.
A interação entre solo e líquido também é crucial. A constante dielétrica do líquido, uma medida de sua polaridade, influencia a espessura do filme adsorvido na superfície das argilas. Líquidos com alta constante dielétrica formam filmes mais espessos, reduzindo a permeabilidade do solo aos fluidos. Esse conhecimento é aplicado na construção de camadas de proteção em aterros, onde solos argilosos são usados para impedir a infiltração de líquidos. Nos modelos clássicos de permeabilidade de fluidos, a constante dielétrica não é considerada, mas é essencial para entender as interações entre argilas e líquidos em sistemas coloidais.
- Sistema solo-água
A capilaridade e a adsorção são as principais formas de retenção de água no solo. Existe também a água de constituição, presente dentro da estrutura do mineral, que só pode ser removida com altas temperaturas. A água nos macróporos do solo participa do fluxo e pode ser removida facilmente com baixa energia. Em contraste, a água adsorvida e a água de constituição não participam do fluxo e requerem mais energia para serem removidas.
(imagem)
Grim (1968) mostrou que a água adsorvida pelos argilominerais se encontra em um estado similar ao sólido, mesmo em temperatura ambiente. A adsorção da água ocorre devido ao caráter polar da molécula de água, que se orienta com seus polos positivos aderindo à superfície negativa das partículas de argila. Camadas subsequentes de moléculas de água são atraídas pela camada anterior, mas a agitação térmica tende a transformar essa água adsorvida em água livre, que pode então fluir.
A afinidade físico-química entre a água e os minerais do solo determina as características de plasticidade e expansividade das argilas na presença de água. Esse fenômeno é menos intenso com líquidos orgânicos de baixa polaridade e constante dielétrica, que têm menor afinidade com os argilominerais. Para entender melhor a interação entre argilominerais e líquidos orgânicos, é essencial conhecer as propriedades físicas dos fluidos em contato com as argilas.
Dessa forma, a retenção de água no solo é um processo complexo que depende tanto da natureza do solo quanto das características dos líquidos presentes.
- Coeficiente de permeabilidade saturado em meios argilosos
A permeabilidade de solos argilosos é fortemente influenciada por vários fatores, como o tamanho dos grãos, a porosidade, o grau de saturação e a composição dos cátions (Mitchell, 1976). Quando se trata de líquidos orgânicos, a relação entre suas propriedades e a permeabilidade dos solos é complexa devido à variabilidade desses líquidos. Estudos indicam que líquidos orgânicos podem aumentar significativamente a permeabilidade dos solos argilosos em comparação com a água, sendo a polaridade e a constante dielétrica dos líquidos fatores determinantes (Mesri e Olson, 1971; Kinsky et al., 1971).
Líquidos com menor constante dielétrica resultam em maior permeabilidade devido à redução na espessura da dupla camada nas superfícies dos minerais do solo (Anderson et al., 1982; Brown e Anderson, 1983). Modelos matemáticos foram desenvolvidos para prever essa permeabilidade, levando em consideração as interações específicas entre o solo e o líquido permeante (Budhu et al., 1991).
Alguns experimentos confirmaram, também, que a condutividade hidráulica diminui com o aumento do percentual de argila no solo, e que a permeabilidade não é intrínseca como em meios granulares. Oliveira (2001) deduziu novas equações para melhor representar a condutividade hidráulica em meios argilosos, incorporando a influência da constante dielétrica.
Outros estudos adicionais sobre misturas de areia e bentonita realizados por Cardoso (2011) revelaram a importância do índice de plasticidade do solo na permeabilidade. Modelos matemáticos mais recentes, como os de Machado et al. (2016), consideram a constante dielétrica relativa dos fluidos e o índice de plasticidade para prever com maior precisão a permeabilidade de solos argilosos. A complexidade do comportamento da permeabilidade em solos argilosos permeados por líquidos orgânicos reforça a necessidade de ajustes contínuos nos modelos teóricos.