Caracterização Físico-Química e Mineralógica de Solos do Paraná - Estudo COBRAMSEG 2018

XIX Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Geotecnia e Desenvolvimento Urbano COBRAMSEG 2018 28 de Agosto a 01 de Setembro Salvador Bahia Brasil ABMS 2018 Caracterização FísicoQuímica e Mineralógica de Três Solos do Estado do Paraná Flávia Gonçalves Universidade Estadual de Londrina Londrina Brasil flaviagolcalvesfghotmailcom Renan Felipe Braga Zanin Universidade Estadual de Londrina Londrina Brasil renanzaninhotmailcom Lívia Fabrin Somera Universidade Estadual de Londrina Londrina Brasil liviafabrinsomerahotmailcom Alana Dias de Oliveira Universidade Estadual de Londrina Londrina Brasil alanadiolivahotmailcom José Wilson Santos Ferreira Universidade Estadual de Londrina Londrina Brasil wilsonsferreirahotmailcom Carlos José Marques da Costa Branco Universidade Estadual de Londrina Londrina Brasil costabrancouelbr Raquel Souza Teixeira Universidade Estadual de Londrina Londrina Brasil raqueluelbr RESUMO As caracterizações física química e mineralógica de três solos diferentes do estado do Paraná são apresentadas neste trabalho Foram analisados os solos das regiões norte e noroeste do estado situados em três municípios Londrina Tuneiras do Oeste e Mandaguaçu Amostras deformadas e indeformadas dos solos foram coletadas para a realização das análises de caracterização física granulometria conjunta limites de consistência LL e LP e massa específica dos sólidos caracterização química pH capacidade de troca catiônica CTC carbono matéria orgânica MO e fluorescência de RaioX e mineralogia Análise Térmica Gravimétrica ATG Análise Térmica Diferencial ATD e Difração de RaioX DRX Concluiuse que os três solos possuem tais características distintas entre si dependentes sobretudo do estrato rochoso de cada local estudado e os processos pedogenéticos de evolução do perfil de solo PALAVRASCHAVE Substrato Rochoso Processos Pedogenéticos Mineralogia 1 INTRODUÇÃO O solo é um material complexo e heterogêneo no entanto frequentemente utilizado na engenharia devido ao seu baixo custo e fácil obtenção e manuseio A formação do solo está ligada à ação do intemperismo na rochas o que faz com que sua distribuição regional esteja condicionada às variações climáticas topográficas e litológicas bem como aos processos de transporte sedimentação e evolução pedogênica Este conjunto de fatores propicia a diferenciação da composição físicoquímica e mineralógica dos solos sendo esta de grande importância para o estudo de seu comportamento para o emprego na engenharia ROCHA 2005 KÄMPF e CURI 2012 XIX Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Geotecnia e Desenvolvimento Urbano COBRAMSEG 2018 28 de Agosto a 01 de Setembro Salvador Bahia Brasil ABMS 2018 Devido à diversidade dos solos e dos perfis existentes tornase imprescendível o conhecimento das características físico químicas e mineralógicas peculiares a cada situação As caracteristicas físicoquímicas auxiliam em determinações de comportamento hidráulico compressivo e resistivo a fim de utilizar o solo da forma mais efetiva enquanto que a mineralogia ao fornecer os tipos de minerais e elementos químicos encontrados em sua composição auxilia a melhor compreenção de certos comportamentos e características tais como expansividade colapsividade cor e massa específica dos grãos MITCHELL e SOGA 2005 Neste contexto o objetivo deste trabalho é analisar a caracterização física química e mineralógica de três solos provenientes do estado do Paraná com o intuito de identificar e avaliar suas propriedades 2 MATERIAIS E MÉTODOS 21 Solos Três diferentes solos do estado do Paraná Figura 1 região Sul do Brasil foram escolhidos para a avaliação de suas características físicas químicas e mineralógicas haja vista sua aparente variabilidade Amostras deformadas Figura 2 e indeformadas foram coletadas nos municípios de Londrina 2A Tuneiras do Oeste 2B e Mandaguaçu 2C todos situados nas regiões norte e noroeste do estado Figura 1 Localização dos municípios de coleta de solo Figura 2 Amostras deformadas e secas ao ar dos solos estudados em A Londrina em B Tuneiras do Oeste em C Mandaguaçu O solo de Londrina foi coletado no Campo Experimental de Engenharia Geotécnica CEEG da Universidade Estadual de Londrina UEL com o auxílio de um trado manual a profundidade de 12 metros Seu substrato rochoso compreendido no Terceiro Planalto Paranaense é o basalto originado dos derrames TEIXEIRAPINESE 2006b O solo de Tuneiras do Oeste foi retirado às margens da Rodovia Federal BR487PR Sabe se que esta jazida está situada em uma área de transição geológica entre arenitos e derrames basálticos GOLOVATI et al 2013 o que pode influenciar em suas características fisico químicas e mineralógicas XIX Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Geotecnia e Desenvolvimento Urbano COBRAMSEG 2018 28 de Agosto a 01 de Setembro Salvador Bahia Brasil ABMS 2018 O solo de Mandaguaçu foi extraído de um talude no km 37 da rodovia PR376 Possui como embasamento rochoso a Formação Caiuá a qual é constituída principalmente por arenito finos e muito finos FRANÇA JUNIOR et al 2010 22 Caracterização Física Para a caracterização física dos solos foram realizadas 1 Análise granulométrica realizada por meio de peneiramento e sedimentação NBR 71811984 2 Limites de consistência liquidez e plasticidade feitos com material passante em peneira 40 046 mm NBR 64591984 e NBR 71801984 e 3 Massa específica dos sólidos realizada com o material passante em peneira 10 2 mm NBR 65081984 23 Caracterização Química A caracterização química pH capacidade de troca catiônica CTC carbono e matéria orgânica MO foi realizada segundo Pavan et al 1991 no Laboratório de Solos do Instituto Agronômico do Paraná IAPAR de Londrina Análises de fluorescência de RaioX também foram realizadas a fim de verificar relação da proporção dos elementos constituintes para os solos estudados Estes ensaios foram feitos no Laboratório de Apoio à Pesquisa Agropecuária LAPA da Universidade Estadual de Londrina UEL em equipamento da marca Shimadzu Co modelo EDX720 sem a necessidade de destruição da amostra 24 Caracterização Mineralógica A mineralogia dos solos estudados foi obtida por meio da aplicação das técnicas de Análise Térmica Gravimétrica ATG e Análise Térmica Diferencial ATD além da Difração de RaioX DRX Para a realização da ATG técnica analítica que acompanha a variação da massa da amostra em função da programação da temperatura e da ATD arranjo matemático no qual a derivada da variação da massa em relação ao tempo é registrada em função da temperatura ou tempo DENARI 2013 as amostras foram destorroadas e secas em uma estufa de 105 ºC por 24 horas As amostras foram então levadas ao Laboratório de Espectroscopia da Universidade Estadual de Londrina UEL onde aproximadamente 10 mg de cada material foi colocada em um cadinho de platina no interior de um equipamento Shimadzu modelo TGA50 O equipamento foi operado em uma atmosfera de Nitrogênio com fluxo de 50 mLmin a uma taxa de aquecimento de 10 ºCmin Já a difração de RaioX técnica que permite identificar as posições atômicas e a composição química das amostras investigadas por meio da incidência de um feixe de RaioX que ao ser difratado em diferentes direções caracterizam os componentes do material foram realizadas no Laboratório de Difração de RaiosX do LARX Laboratório Multiusuário da Pró Reitoria de Pesquisa e Pós Graduação também da UEL em um difratômetro da marca PANalytical modelo XPert PRO MPD com radiação CuKα na técnica conhecida como θ 2θ para as amostras na forma de pó A tensão e a corrente usadas foram respectivamente 40 kV e 30 mA O intervalo de varredura 2θ utilizado foi de 5 a 70 º com passo angular de 005 º O tempo de contagem por ponto foi de 10 s Para poder desprezar possíveis orientações preferenciais no processo de preparação das amostras em pó estas foram movimentadas ciclicamente durante o processo de medida com período de 2 segundos 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO As curvas granulométricas Figura 3 mostram que o solo de Londrina foi o único a apresentar como fração granulométrica principal a argila sendo classificada como argila siltosa O relevo ondulado suave e o clima subtropical propiciam que o intemperismo atue até grandes profundidades culminando em um perfil de solo bastante espesso na região O basalto originado da rocha vulcânica básica deste XIX Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Geotecnia e Desenvolvimento Urbano COBRAMSEG 2018 28 de Agosto a 01 de Setembro Salvador Bahia Brasil ABMS 2018 substrato resulta até uma profundidade média de 8m em um solo laterítico com alto teor de argila TEIXEIRA et al 2006a corroborando o observado por este estudo Por meio da Tabela 1 composta pela características físicoquímicas dos solos estudados é observada a elevada massa específica dos sólidos ρs 303 gcm3 para o de Londrina quando comparada às demais O resultado está em consonância com os valores preditos por Teixeira et al 2010 indicando que a significativa presença de ferro Tabela 2 constituinte denso acaba por imprimir tal característica ao solo PAIVA NETO et al 1951 Segundo o índice de plasticidade IP calculado pela diferença entre o limite de liquidez LL e o de plasticidade LP este solo é classificado como de plasticidade média BURMISTER 1949 A partir do resultado obtido pela relação do IP e o percentual da fração argila do solo de Londrina foi possível classificar a argila como sendo de baixa atividade coloidal AC 023 ou seja suas propriedades mineralógicas e químicacoloidais tem pouca influência nos processos de interação deste solo SKEMPTON 1953 Quanto as características químicas deste solo há ainda a constatação de pH com caráter ácido Além disso o teor de carbono orgânico e o valor aludido da matéria orgânica estão em consonância com valores esperados para amostras de solos coletadas na profundidade de dois metros ou mais GONÇALVES 2016 TEIXEIRA et al 2013 A saturação por bases dada em percentual pela soma de bases Ca² Mg² e K dividida pela capacidade de troca catiônica CTC é de aproximadamente 25 o que indica que a carga negativa ocupada por estes íons em relação aos pontos de troca dos cátions ácidos H e Al³ é pequena Estas observações ratificam que a argila deste tipo de solo é de baixa atividade coloidal exposto anteriormente Fração Granulométrica Londrina Tuneiras do Oeste Mandaguaçu Argila 555 210 135 Silte 235 47 155 Areia 210 743 710 Pedregulho 0 0 0 Figura 3 Curvas granulométricas dos solos de Londrina Tuneiras do Oeste e Mandaguaçu XIX Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Geotecnia e Desenvolvimento Urbano COBRAMSEG 2018 28 de Agosto a 01 de Setembro Salvador Bahia Brasil ABMS 2018 Tabela 1 Caracterização físicoquímica dos solos de Londrina Tuneiras do Oeste e Mandaguaçu Amostra Caracterização Física Caracterização Química ρs LL LP IP pH Al HAl Ca Mg K CTC C MO gcm³ cmolckg1 gdm3 gdm3 Londrina 303 51 38 13 470 008 496 107 041 016 660 323 556 Tuneiras do Oeste 289 20 13 7 400 083 342 080 053 007 482 136 234 Mandaguaçu 269 31 15 16 380 108 317 067 028 005 417 120 206 Nota ρs Massa específica dos sólidos LL Limite de liquidez LP Limite de plasticidade IP Índice de plasticidade C Carbono MO Matéria orgânica Os solos de Tuneiras do Oeste e Mandaguaçu apresentaram como granulometria principal a fração areia o que implica em valores similares de massa específica dos sólidos além de proximidade também à massa específica conhecida do quartzo 269 gcm3 principal componente da areia GUTIERREZ NÓBREGAVILAR 2008 No entanto o solo de Tuneiras do Oeste foi classificado como areia argilosa enquanto que o de Mandaguaçu areia siltosa O solo de Tuneiras do Oeste apresentou os menores valores de limite de liquidez limite de plasticidade e índice de plasticidade sendo classificado como de baixa plasticidade BURMISTER 1949 Segundo Skempton 1953 sua argila é classificada como de baixa atividade coloidal AC 033 assim como o solo de Londrina Já atributos como pH CTC carbono C e matéria orgânica MO apresentaram valores que estão entre os dos demais e o percentual de sua fração areia superior a todos Estas ocorrências podem estar relacionadas ao substrato rochoso e aos processos pedogenéticos Como mencionado o município de Tuneiras do Oeste está situado em uma área de transição geológica entre os solos oriundos da Formação Caiuá arenito e aqueles derivados de derrames basálticos terra roxa Com clima subtropical apresentando invernos predominantemente secos e os verões chuvosos a região apresenta perfis de solo bastante evoluídos com características diversificadas GOLOVATI et al 2013 O solo de Mandaguaçu pertence à região NorteCentral Paranaense e possui como embasamento rochoso a Formação Caiuá a qual é constituída principalmente por arenito finos e muito finos com cores que variam do vermelhoarroxeado a vermelho tendo pequenos teores de matriz lamítica Esta Formação é fortemente caracterizada pela presença de quartzo variando entre 75 a 90 do total da rocha FRANÇA JUNIOR et al 2010 A argila presente neste solo é classificada como de atividade coloidal normal AC 119 indicando que suas propriedades mineralógicas e químicacoloidais tem média influência nos processos de interação deste solo SKEMPTON 1953 Segundo Burmister 1949 a partir do valor de seu IP este solo é classificado como medianamente plástico Dentre as características fisicoquímicas deste solo foi observado pH ácido e valor de CTC condizente com Gonçalves 2016 Os teores de carbono orgânico e matéria orgânica foram os menores dentre todos Esta baixa ocorrência pode estar relacionada à localização do ponto de coleta do solo parte inferior de um talude longe da camada superior onde comumente há maior concentração de materiais orgânicos ou por imprecisão do método de determinação do parâmetro como já avaliado por Sato et al 2014 A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos da fluorescência de RaioX De forma geral observase que os elementos encontrados em maior quantidade em todas as amostras foram silício Si alumínio Al e ferro Fe Para o solo de Londrina destacase o percentual alcançado pelo ferro 552 refletindo a maior massa específica bem como a maior XIX Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Geotecnia e Desenvolvimento Urbano COBRAMSEG 2018 28 de Agosto a 01 de Setembro Salvador Bahia Brasil ABMS 2018 porcentagem de argila O silício é o elemento presente em maior quantidade nas amostras de Tuneiras do Oeste e Mandaguaçu visto que tais amostras têm como granulometria predominante a areia Elementos que também estão presentes em todas as amostras são titânio Ti manganês Mn e zircônio Zr Tabela 2 Dados de fluorescência de RaioX para os solos estudados Amostra Elemento Si Al Fe Ti Mn Zr K Ca Zn Londrina 142 233 552 38 04 01 003 Tuneiras do Oeste 487 277 195 32 01 02 03 01 Mandaguaçu 551 279 134 27 02 01 03 01 A Figura 4 apresenta os resultados gráficos das Análises Térmicas Gravimétricas ATG dos três solos estudados Para todas as amostras foi observada a presença de um pico próximo à temperatura de 100 ºC referente à saída de água adsorvida às partículas dos solos Observase também que todas as endotermas de desidroxilação apresentaram picos no intervalo de 480 a 550 ºC o que segundo Kämpf e Curi 2003 indica a perda de massa da caulinita Nas amostras de Londrina ainda foi constatado um evento na faixa de 200 a 300 ºC atribuído pelos mesmos autores à perda de massa da gibsita Tais constatações corroboram o observado por Rocha et al 1991 que afirma que o solo desta região possui predominantemente na sua composição mineralógica caulinita gibsita vermiculita e óxidos de Fe hematita e goethita Para os solos de Tuneiras do Oeste e Mandaguaçu não foram observados nestas curvas outros picos referentes a argilominerais além da caulinita Com a interpretação das curvas termogravimétricas foi calculada a porcentagem de ocorrência de cada mineral identificado caulinita e gibsita as quais estão expostas na Tabela 3 Os difratogramas sobrepostos dos solos estudados Figura 5 e os resultados dos padrões encontrados no ensaios de difração de RaioX Tabela 4 confirmam que os solos de Londrina Tuneiras do Oeste e Mandaguaçu apresentaram a mesma composição mineralógica porém em proporções diferentes fato que causa significativa distinção entre as características dos solos A análise indica que além da caulinita cujo pico já havia aparecido na análise termogravimétrica o óxido de ferro hematita Fe2O3 também está presente constatação sobretudo devida à coloração com tons avermelhado dos materiais RESENDE 1976 Ressaltase que a ATG cujos resultados foram mencionados anteriormente não contemplavam a ocorrência de hematita devido ao tipo de análise não permitir a identificação de tais óxidos Figura 4 Curvas de ATG e ATD para os solos estudados XIX Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Geotecnia e Desenvolvimento Urbano COBRAMSEG 2018 28 de Agosto a 01 de Setembro Salvador Bahia Brasil ABMS 2018 Tabela 3 Perda em massa das amostras obtidas pelo ensaio de ATG Amostra Massa total perdida mg Caulinita Gibsita Londrina 120 4190 749 Tuneiras do Oeste 029 1644 Mandaguaçu 021 1296 Figura 5 Difratogramas sobrepostos dos solos estudados Tabela 4 Padrões encontrados no ensaio de difração de RaioX para os solos estudados Amostra Nome do composto Fórmula química Londrina Quartzo Óxido de Ferro Caulinita SiO2 Fe2O3 Al2Si2O5OH4 Tuneiras do Oeste Quartzo Óxido de Ferro Caulinita SiO2 Fe2O3 Al2Si2O5OH4 Mandaguaçu Quartzo Hematita Caulinita SiO2 Fe2O3 Al2Si2O5OH4 4 CONCLUSÃO Segundo os resultados os solos de Londrina Tuneiras do Oeste e Mandaguaçu são classificados granulometricamente como argila siltosa areia argilosa e areia siltosa respectivamente O solo de Londrina possui massa específica dos sólidos maior que as dos outros solos devido a grande quantidade de ferro em sua composição Já os solos de Tuneiras do Oeste e Mandaguaçu apresentaram uma massa específica dos sólidos próxima à do quartzo pois o principal elemento de suas composições é o silício Os limites de liquidez e plasticidade foram maiores para o solo de Londrina característica esperada devido ao seu alto teor de argila Em relação ao pH os três solos apresentaram caráter ácido Estes solos ainda podem ser classificados de acordo com o valor do IP sendo os solos de Londrina e Mandaguaçu medianamente plásticos e o de Tuneiras do Oeste de baixa plasticidade As argilas que compõem os solos de XIX Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Geotecnia e Desenvolvimento Urbano COBRAMSEG 2018 28 de Agosto a 01 de Setembro Salvador Bahia Brasil ABMS 2018 Londrina e o de Tuneiras do Oeste possuem baixa atividade coloidal Já o solo de Mandaguaçu apresenta a atividade coloidal normal O solo de Tuneiras do Oeste apresentou um valor de CTC intermediário aos valores dos demais haja vista que sua jazida está localizada em uma área de transição geológica Observando os resultados das análises termogravimétricas dos três solos foi observada uma endoterma de desidroxilação no instervlo de 480 a 500 C indicando a perda de massa de caulinita Apenas o solo de Londrina apresentou esta característica no intervalo de 200 a 300 C referente à perda de massa de gibsita Mesmo os componentes dos três solos sendo semelhantes suas proporções são diferentes o que confere características físicoquímicas e mineralógicas distintas AGRADECIMENTOS Os autores agradecem aos Laboratórios de Geotecnia e Espectroscopia ao LAPA e ao LARX todos da Universidade Estadual de Londrina e ao IAPAR pela disponibilidade do espaço e dos equipamentos Agradecem também à Fundação Araucária e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAPES pelo fomento de bolsas aos estudantes de PósGraduação envolvidos no trabalho REFERÊNCIAS ABNT NBR 6459 1984 Determinação do Limite de Liquidez Associação Brasileira de Normas Técnicas Rio de Janeiro ABNT NBR 6508 1984 Determinação da Massa Específica dos Grãos Associação Brasileira de Normas Técnicas Rio de Janeiro ABNT 1984 NBR 7180 Solo Determinação do Limite de Plasticidade Associação Brasileira de Normas Técnicas Rio de Janeiro ABNT NBR 7181 1984 Análise Granulométrica Associação Brasileira de Normas Técnicas Rio de Janeiro Burmister D M 1949 Principles and Techniques os Soil Identification Proceedings of Annual Highway Research Board Meeting National Research Council Washington DC vol 29 p 402433 Denari G B 2013 Contribuições ao Ensino de Análise Térmica Dissertação de Mestrado Mestrado em Química Analítica e Inorgânica Universidade de São Paulo São Carlos França Junior P et al 2010 Relato de campo sobre os aspectos físicos do terceiro planalto paranaense Maringá aos terraços do Rio Paraná Boletim de Geografia Vol 28 pp 185195 Golovati D et al 2013 Análise do Conteúdo Fitólitico de um Latossolo em uma Reserva Florestal de Tuneiras do Oeste Paraná In PALEO PRSC Anais vol 1 Gonçalves F 2016 Interação Temporal por Difusão de Lixiviado de Resíduos Sólidos Urbanos com Solo Argiloso e solo Arenoso Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia de Edificações e Saneamento Universidade Estadual de Londrina Londrina Gutierrez N H M Nóbrega M T Vilar O M 2008 Influence of Microstructure in the Colapse of a Residual Clayey Tropical Soil Bull Eng Geol Environ v 68 p 107116 Kämpf N Curi N 2012 Formação e Evolução do Solo Pedogênese In KER et al Pedologia Fundamentos Viçosa Minas Gerais Mitchell J K Soga K 2005 Fundamentals of Soil Behavior 3rd ed John Wiley Sons INC Hoboken NJ USA 558 p Paiva Neto J E De et al 1951 Observações Gerais sobre os Grandes Tipos de Solo do Estado de São Paulo Bragantia online vol 11 n 79 p 227253 Pavan M A et al 1991 D C Manual de Análise Química do Solo Instituto Agronômico do Paraná Londrina Nov Resende M 1976 Mineralogy Chemistry Morphology and Geomorphology of some Soils of Central Plateau of Brazil Tese de Doutorado Purdue University West Lafayette Rocha A A 2005 Controle de Qualidade de Solo In Philipp J R A Ed Saneamento Saúde e Ambiente Fundamentos Para um Desenvolvimento Sustentável Manole São Paulo Rocha G C et al 1991 Distribuição Espacial e Características dos Solos do Campus da Universidade Estadual de Londrina PR Semina Ciências Agrárias Londrina vol 12 n 1 p 2125 Sato J H et al 2014 Methods of Soil Organic Carbon Determination in Brazilian Savannah Soils Sci Agric vol 71 n 4 p 302308 Skempton A W 1953 The Colloidal Activity of Clays III ICSMFE vol 1 p 143147 Teixeira RS et al 2010 Mobility of potentially harmful metals in latosols impacted by the municipal solid waste deposit of Londrina Brazil Applied Geochemistry v 25 p115 XIX Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Geotecnia e Desenvolvimento Urbano COBRAMSEG 2018 28 de Agosto a 01 de Setembro Salvador Bahia Brasil ABMS 2018 Teixeira R S et al Uso de Lodo ETA em Aterro Sanitário Lodo de Estações de Tratamento de água Gestão e Perspectivas Tecnológicas 1 ed Curitiba SANEPAR 2013 vol 1 p 410440 Teixeira R S et al 2006a Investigação preliminar da área de disposição de resíduos sólidos do município de LondrinaPR In XIII Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotecnica Curitiba Anais do XIII Congresso da ABMS São Paulo Editora ABMS v 1 p 110 Teixeira R S Pinese J P P 2006b Potencial de Utilização do Estrato Superior do Solo Laterítico da Cidade de Londrina Estado do Paraná como Material de Apoio de Aterros Sanitários Acta Sci Technol Maringá vol 28 n 1 p 8592