3. PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS.doc

Proy.Docencia FDDE01-05

Apunte Mecánica de Suelos I

3. PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS Los suelos cohesivos son un conjunto conjunto de partículas partículas microscópicas microscópicas,, cargadas cargadas eléctricamente eléctricamente sin un bien defnido contacto ísico-mecánico entre ellas.

e

$

L = !!! e=



o

A

!

o

A o

A

= 10 −10

"montmorilonita # a !!!! "montmorilonita#

a

!!!

o

A o

A

"caolinita# "caolinta#

[ m]

$l conjunto conjunto de partículas, partículas, en promedi promedio, o, mantiene mantiene una distancia distancia entre ellas de !!

o

A

ó

ma%or, lo &ue implica &ue ha% una gran cantidad de huecos.

3.1 PROPIEDADES ELECTROQUÍMICAS DE LOS MINERALES ARCILLOSOS Las partículas partículas de suelo suelo con tama'o tama'o corres correspon pondien diente te a las arcillas arcillas % &ue presentan presentan las propiedades propiedades características características de adhesión adhesión % plasticidad plasticidad se denominan minerales arcillosos. arcillosos . $l polvo de roca, por ejemplo, es un material constituido constituido por partículas partículas mu% fnas, pero no se encuentra en esta categoría debido a &ue no presenta cohesión ni plasticidad. Los minerales arcillosos son producto de la meteori(ación &uímica % están compuestos en su ma%or por silicatos de aluminio hidratados. $l comportamiento de las partículas &ue constitu%en el mineral arcilloso esta dominado principalmente principalmente por la actividad actividad electro&uímica. electro&uímica. $n general tienen una carga negativa neta % presentan afnidad por el agua. Los Los mineral minerales es arcillos arcillosos os tienen tienen orma orma cristali cristalina na % están están constit constituido uidos s por dos unidade unidades s estructurales estructurales ) la unidad tetraédrica, tetraédrica, en la cual cuatro o*ígenos o*ígenos encierran un átomo de silicio, % la unidad octaédrica, en la cual un átomo de aluminio o magnesio esta encerrado por seis grupos hidro*ilos. hidro*ilos. +e acuerdo con la organi(ación organi(ación de estas unidades unidades estructurales en la red cristalina, cristalina, los minera minerale les s arcil arcillos losos os se divid dividen en en tres tres grupo grupos s princi principal pales es)) las las caol caolini inita tas, s, las ilita ilitas s % las montmorilonitas.

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Ing.Civil Carmen Gloria González

Depto.Ingeniería Civil - unio de !""#.



Unidades estructurales de ls !inerales de arcilla " tetra#dric $ cta#dric. rupo de caolinitas $l blo&ue estructural de este grupo esta ormada por una capa de unidades tetraédricas % una capa de unidades octaédricas. Las partículas de arcilla están ormadas por un gran nmero de estos blo&ues. Los enlaces iónicos de hidrógeno entre los blo&ues crean una estructura relativamente estable en la &ue no penetra el agua con acilidad. demás presentan una baja absorción de agua % por lo tanto una bajo susceptibilidad a la retracción % a la e*pansión. rupo de ilitas $l blo&ue estructural de este grupo está ormado por una capa de unidades octaédricas en medio de dos capas de unidades tetraédricas. Las ilitas presentan ma%or tendencia a la absorción de agua &ue las caolinitas, ma%or susceptibilidad a la retracción % a la e*pansión. rupo de las montmorilonitas $ste grupo tiene un blo&ue estructural similar al de las ilitas, pero en este caso se crea un enlace entre las capas creado por el agua &ue es débil e inestable. La montmorilonita es por lo tanto ácilmente divisible % presentan una mu% alta absorción de agua % mu% altas características de retracción % e*pansión.

3.1.1 C%esi&n $ Plasticidad de Suels Arcillss La plasticidad es la capacidad de e*perimentar deormaciones irreversibles sin romperse % se presenta en la ma%or parte de los suelos arcillosos con un grado de humedad intermedio. hora si el blo&ue de arcilla se seca, pierde su plasticidad % se transorma en un sólido con una resistencia considerable debido a la cohesión entre las partículas de arcilla. /or el contrario, si el

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blo&ue de arcilla se descompone en tro(os más pe&ue'os, se pierde toda cohesión % se obtiene fnalmente polvo seco. La cohesión se atribu%e principalmente a la afnidad por ciertos cationes en el agua intersticial. La plasticidad se le atribu%e a la deormación de las capas de agua absorbida. un&ue esta agua es uertemente atraída por las partículas de mineral de arcilla, las moléculas de agua absorbida pueden moverse con relativa acilidad a lo largo de la superfcie de las partículas. /or lo tanto, cuando las partículas de arcilla se comprimen, la capa de agua absorbida se deorma con elasticidad en tanto &ue las partículas suren un despla(amiento relativo unas con respecto a las otras.

3.' ESTRUCTURA DE LOS DEP(SITOS DE ARCILLA 3.'.1 Macrestructura Los rasgos estructurales usualmente visibles de un depósito de arcilla tales como estratifcación, fsuración % canales de raíces defnen la macroestructura o macrote*tura del depósito. 0n depósito de arcilla &ue no presenta variaciones visibles de estructura puede catalogarse como uniforme. 1in embargo mucho suelos arcillosos son estraticados. 2uando las capas individuales son relativamente delgadas, menos de 34 mm de espesor apro*imadamente % paralelas entre ellas, la arcilla puede catalogarse como laminada. 5uchos depósitos de arcilla de lagos &ue se ormaron durante el deshielo de los glaciares presentan un tipo de estructura laminada. $stas arcillas se denominan arcillas varvadas, %a &ue debido a las variaciones del 6ujo de agua proveniente del deshielo de los glaciares en las dierentes estaciones, los depósitos están ormados por una sucesión de capas o varvas. 5uchas arcillas duras se presentan en su estado natural con una red de grietas o fsuras, los cuales se denominan depósitos surados. $sta fsuración se debe a la presencia previa de grandes esuer(os en la arcilla o a cambios de volumen debidos a la desecación. Los depósitos de arcilla &ue no presentan evidencias de fsuración se denominan intactos. La e*istencia de una macroestructura bien defnida puede tener una gran in6uencia en el comportamiento ingenieril de un depósito de arcilla. Las fsuras, por ejemplo, constitu%en planos de debilidad lo &ue hace disminuir la resistencia de la arcilla. $n el caso de rellenarse estas fsuras con partículas de limo durante un ciclo de inundación, por ejemplo, éstas actan como tra%ectorias de drenaje, lo &ue se traduce en un aumento de la permeabilidad.

3.'.' Micrestructura $l arreglo estructural de partículas individuales o grupos de partículas de un depósito de arcilla a escala microscópica defne la microestructura del depósito. 2uando las partículas de arcillas se encuentran en suspensión en el agua, pueden e*perimentar una atracción mutua, así como también una repulsión mutua debido a la similitud de cargas de las partículas. 0na suspención alcalina suprime el eecto repulsivo % si las partículas se apro*iman sufcientemente se atraerán entre sí, ormando grumos &ue sedimentarán con ma%or rapide(. $n cambio, si la suspensión se neutrali(a con la adición de una solución ácida, las uer(as de repulsión, serán dominantes % las partículas permanecerán dispersas mucho más tiempo. La disposición &ue toman las partículas de un suelo disperso se muestra en la fgura 7a8. La repulsión entre las partículas a medida &ue se acercan entre sí, hace &ue cada una se colo&ue a la distancia má*ima entre ellas. $sta estructura es típica de suelos &ue están mojados al

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compactarse, cuando se hace un relleno, o de los &ue se orman por sedimentación en presencia de agentes dispersantes. Los suelos &ue tienen esta estructura son densos e impermeables. La disposición de las partículas en estructura 6oculada se muestran en las fguras 7b8 % 7c8. 1e orma de una suspención de suelos en agua, &ue al introducir un electrolito, provoca la 6oculación al disminuir la repulsión % las partículas caen unidas en un ordenamiento aleatorio. ran cantidad de agua &ueda atrapada en los grandes poros ormados por las partículas, además del agua absorbida en la arcilla. Las arcillas depositadas en el mar "sal#, en lagunas % pantanos "ácidos orgánicos#, tienen un grado alto de 6oculación. Los suelos 6oculados son livianos % mu% compresibles. 1on susceptibles al amasado, es decir, si se me(cla un suelo inalterado, se vuelve blando como si se le hubiese agregado agua. Los trabajos en este tipo de suelo son difcultosos al convertirse en ango.

a# +ispersa

b# 5oderadamente 6oculada

c# 5u% 6oculada

3.'.3 Sensiti)idad de las arcillas 1e dice &ue una masa de arcilla ha sido remoldeada si se ha destruido su estructura original. $sto se puede deber a un simple amasado o moldeo de una muestra de arcilla hasta compactaciones controladas. /or lo general, la resistencia de la arcilla remoldeada es inerior a la correspondiente a una arcilla inalterada. La pérdida de resistencia se debe a la ruptura de la adhesión electro&uímica entre las partículas % a la redistribución de parte del agua absorbida &ue se convierte en agua libre. La pérdida de resistencia debida al remoldeo se caracteri(a con la sensitividad de la arcilla. Resistencia inalterada Sensitividad =

Resistencia remoldeada

La ma%or parte de las arcillas tienen una sensitividad &ue está en el rango de  - 9, en tanto &ue las arcillas rápidas tienen valores de sensitividad tan altos como !!.

Escala de Sensiti)idad "1:empton % ;orthe% < % jerrum# Sensiti)idad Descri*ci&n > 3

?nsensitiva

3 - 9.

5edianamente sensitiva

9 - @.

1ensitiva

@ - A.

5u% sensitiva

B A

Cápida

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Las arcillas rápidas son depósitos &ue han surido hidrólisis mu% inestables % están propensos al colapso % a la transormación en un material de consistencia lí&uida. $l proceso de la hidrólisis es cuando la arcilla ha estado sometida a la infltración % percolación de agua dulce subterránea, lo &ue genera un lavado gradual de la sal. $ste proceso esta acompa'ado de un debilitamiento de los enlaces entre las partículas dentro de la estructura de la arcilla. %a&la de comparaci'n( Suelos granulares v)s suelos *inos y co+esivos

SUELOS +RANULARES

SUELOS ,INOS - COESI/OS

D 1e ve % se siente el grano.

D ;o se ven las partículas.

D ;o pierden compacidad % resistencia al mojarse

D /ierden resistencia o consistencia al mojarse "caso e*tremo -B barro#.

D ;o altera ma%ormente su volumen al cambiar la humedad.

D lgunos suelos "e*pansivos# pueden variar 5ucho su volumen al cambiar su humedad.

D 1on e*celentes para rellenos % undaciones D 1on regulares a malos para rellenos %Eo cuando están compactos % densos D ;o aguantan cortes verticales, salvo sí

Fundaciones. D guantan cortes verticales de cierta altura.

están cementados. D 2uando están sueltos se compactan con vibraciones. D 1on permeables, es decir, dejan pasar

D ;o se compactan con vibraciones, $n general con amasado. D 1on prácticamente impermeables.

el agua.

,LOCULACION - DISPERSION

-

1i la resultante de las uer(as de atracción % repulsión entre dos partículas arcillosas es de atracción, ambas partículas tenderán a moverse una hacia otra, entrando en contacto) es la ocu/ación. 1i la uer(a resultante es repulsiva tenderán a separarse unas de otras) es la dispersión. 2omo la componente de repulsión depende en gran parte de las características del sistema mientras &ue la componente de atracción no está in6uenciada por las características del mismo, puede provocarse una tendencia hacia la 6oculación o dispersión al alterar las característi cas del sistema, modifcando el espesor de la doble capa. ;ormalmente se provoca una tendencia a la 6oculación aumentando una o varias de las siguientes características) 2oncentración de electrolitos Galencia iónica Hemperatura ó disminu%endo una o más de las siguientes) 2onstante dieléctrica Hama'o del ión hidratado dsorción de aniones /I

CARACTERISTICAS PRINCIPALES

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l. 2ada partícula de suelo posee cargas eléctricas en su superfcie % por tanto atrae iones a la misma con el fn de neutrali(ar su carga eléctrica total. 3.  su ve( estos iones atraen moléculas de agua %, además, el agua es atraída directamente a la superfcie de las partículas de suelo. +e a&uí &ue todas las partículas de suelo tiendan a estar rodeadas por una capa de agua. J. $ntre las partículas de suelo actan uer(as de atracción % repulsión, las cuales son más importantes "respecto al peso de las partículas# en los suelos fnos. $stas uer(as tienen in6uencia sobre la orma en &ue se ordenan las partículas en el proceso de sedimentación % dan lugar a &ue los suelos fnos presenten un es&ueleto mineral mu% abierto, de pe&ue'o peso específco. 9. 2iertos actores, como la temperatura % la concentración de iones en el agua intersticial, in6u%en sobre las uer(as de atracción % repulsión entre partículas por lo cual el medio en &ue se produce la sedimentación puede tener in6uencia sobre la orma en &ue se disponen las partículas al depositarse. 4. $n suelos ormados por partículas e&uidimensionales, las presiones se transmiten a través del suelo por las uer(as de contacto mineral-mineral. $n suelos ormados nicamente por pe&ue'as laminillas arcillosas orientadas cara con cara, las presiones se transmiten a través de uer(as eléctricas de largo alcance pudiendo estar las partículas separadas distancias de !!  ó incluso más. La transmisión de presiones en suelos arcillosos naturales se produce mediante un proceso intermedio entre ambos casos límites.

E0ercicis . verigKe como se produce el intercambio de cationes en las arcillas % mencione J de los intercambios más usuales. 3.

Mué pasa con las propiedades mecánicas de las arcillas al variar los cationesN $*pli&ue.

J. 5encione los grupos de arcillas % determine cual de estos son los menos susceptibles de intercambiar sus cationes. 9.

verigKe &ué pasa cuando una partícula cristalina de arcilla &ueda rodeada de agua % e*pli&ue el enómeno de doble capa.

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