Mineralogical, chemical, physical and mechanical characterization of phyllite weathering profiles in a tropical climate

Os filitos são reconhecidos por diversos problemas de instabilidade em taludes de mineração e rodovias no Quadrilátero Ferrífero - MG, sudeste do Brasil, região que se destaca no cenário internacional devido à importante produção de minério de ferro. Os problemas de instabilidade estão relacionados, especialmente, à elevada alterabilidade e baixa resistência mecânica dessas rochas. A despeito da importância da região e dos problemas ligados à taludes associados a rochas de baixo grau metamórfico, principalmente filitos, ainda são poucos os trabalhos existentes que visam investigar às implicações da degradação dessa rocha nas características geotécnicas, quando exposta à ação dos agentes intempéricos. O objetivo desta Tese consiste em apresentar os resultados das investigações realizadas, bem como a discussão dos efeitos do intemperismo sobre a mineralogia e propriedades químicas, físicas e mecânicas de filitos em diferentes graus de alteração expostos em três taludes rodoviários no Quadrilátero Ferrífero. A metodologia consistiu em identificar e mapear a distribuição das diferentes classes de intemperismo em três perfis de alteração e a retirada de amostras para realização de testes em laboratório. Avaliações mineralógicas e químicas envolveram petrografia, difratometria e microfluorescência de raios-X. Propriedades físicas e mecânicas foram obtidas pelos índices físicos, martelo de Schmidt (em campo), compressão puntiforme (“point load test”), teste de alterabilidade (“slake durability test”) e velocidade de propagação de ondas ultrassônicas. Seis níveis de alteração foram avaliados, desde a rocha levemente alterada à rocha muito alterada, incluindo níveis transicionais. Os resultados revelam que as estruturas, particularmente descontinuidades paralelas à foliação metamórfica, exercem papel preponderante na disposição dos materiais alterados ao longo dos perfis. Considerando a mineralogia dos filitos estudados, as mudanças químicas não são profundas até a rocha muito alterada, de forma que há o predomínio do intemperismo físico sobre o químico, apesar do clima tropical. A precipitação de óxidos de ferro devido à alteração de minerais opacos, pode levar ao aumento local da resistência, contribuindo para o desenvolvimento de comportamentos irregulares nos materiais de transição rocha-solo. Consequentemente, a previsão de modelos para implantação de obras civis ou de mineração sobre maciços constituídos por essa rocha não deve ser baseada em propriedades isoladas, necessitando de uma avaliação conjunta de características mineralógicas, físicas e mecânicas, aliadas a um forte controle de campo, especialmente voltado para as descontinuidades. Palavras-chave: Caracterização geomecânica. Mineralogia. Perfis de intemperismo. Rochas Metamórficas.Phyllites are known by its common instability problems in mining and highways cut slopes in the Quadrilátero Ferrífero - MG, southeast of Brazil, a region that stands out in the international scenario due to the its production of iron ore. The problems of instability are related, especially, to the high alterability and low mechanical resistance of these rocks. In spite of the importance of the region and the problems related to the slopes associated with rocks of low metamorphic degree, mainly phyllites, there are still few previous works that investigate the implications of degradation on geotechnical characteristics of this rock when exposed to the action of the weather agents. The aim of this thesis is to present the results of several laboratory and field investigations, as well as the discussion of the effects of weathering on mineralogy, chemistry, physical and mechanical properties of phyllites in different degrees of alteration, exposed in three road slopes in the Quadrilátero Ferrífero. The methodology consisted in identifying and mapping the distribution of the different weathering classes in three weathering profiles, the determination of the morphology of the weathering profiles, and the collection of undisturbed samples for laboratory tests. Mineralogical and chemical assessments involved petrography, diffraction and X-ray microfluorescence. Physical and mechanical properties were obtained by physical indexes, Schmidt hammer (in the field), point load, slake durability and ultrasonic wave propagation velocity tests. Six levels of weathering were evaluated, from slightly weathered rock to highly weathered rock, including transitional levels. The results show that the structures, particularly discontinuities parallel to the metamorphic foliation, play a predominant role in the arrangement of the altered materials along the profiles. Considering the mineralogy of the phyllites studied, the chemical changes are not very strong up until the highly weathered rock, so that there is the predominance of physical weathering on the initial weathering process, despite the tropical climate. The precipitation of iron oxides due to the alteration of opaque minerals may lead to local increased resistance, contributing to the development of irregular behaviors in rock-soil transition materials. Consequently, the prediction of models for the implantation of civil and mining engineering projects on such rock masses should not be based on isolated properties, requiring a united evaluation of its mineralogical, physical and mechanical characteristics, together with a strong field control, especially of discontinuities. Keywords: Mechanical characterization. Mineralogy. Weathering profiles. Metamorphic rocks.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio