CLASIFICACION DE LAS ARCILLAS EN BASE A SU ESTABILIDAD ESTABILIDAD
La arcilla está constituida principalmente por silicatos de aluminio hidratado Estos suelos cuando están h!medos o mo"ados resultan pe#a"osos $ero cuando está seco es mu% &ino % sua'e( además de moldea)le Ca)e mencionar *ue este tipo de suelos presentan una te+tura &ina( con un alto predominio de arcillas ,-. / de arcillas( 01/ de limo % 2./ de arena3 Las arcillas son( pro)a)lemente( los materiales #eol4#icos más contradictorios desde el punto de 'ista de su utilidad en In#enier5a Ci'il Son &uente ina#ota)le de pro)lemas de esta)ilidad en )uen n!mero de o)ras( pero constitu%en por s5 mismas un material de 'aliosas propiedades in#enieriles $or otro lado( durante los !ltimos a6os( las arcillas han co)rado un inter7s especial en la medida *ue constitu%en potenciales empla8amientos de repositorios de residuos nucleares de alta acti'idad o se considera su empleo en las )arreras de in#enier5a pre'istas para retardar o e'itar la mi#raci4n de radionucleidos % su interacci4n con la )ios&era $ara la ma%or parte de actuaciones so)re el terreno( las propiedades *ue determinan el comportamiento de un suelo pueden determinarse a partir de ensa%os estandari8ados de la)oratorio más o menos la)oriosos La ma%or parte de estos ensa%os se ocupan de la e'aluaci4n de parámetros tales como el contenido de humedad( permea)ilidad( porosidad( densidad( &orma % tama6o de las part5culas ,#ranulometr5a3( estructura( plasticidad( capacidad de hinchamiento( etc Sin em)ar#o( ha% situaciones en las *ue es importante comprender por *u7 un suelo se comporta de la manera *ue lo hace antes de poder aplicar una soluci4n #eot7cnica adecuada a un pro)lema $ara ello es necesario conocer el suelo no s4lo desde el punto de 'ista macroestructural sino tam)i7n d el microestructural( esto es( su mineralo#5a( composici4n % las interacciones con los &luidos de su entorno( principalmente a#ua El caso de las arcillas es particularmente ilustrati'o en este respecto La clase dictada no tendrá en cuenta la caracteri8aci4n macroestructural del suelo en el sentido anteriormente e+puesto Ello es cometido de otras lecciones de la asi#natura % de otras asi#naturas más especiali8adas Tampoco pretende ser una e+hausti'a re'isi4n de las propiedades microestructurales de los suelos( al#o *ue de)e *uedar para cursos de especiali8aci4n Tan solo son unas pinceladas *ue de)en a%udar a entender me"or las comple"as interacciones entre los di&erentes elementos de un suelo arcilloso ,part5culas s4lidas( a#ua % electrolitos3 % sus implicaciones macrosc4picas
Arcillas Caolinitas (Estables)
Es una arcilla )lanca mu% pura *ue se utili8a para la &a)ricaci4n de porcelanas % de aprestos para almidonar Tam)i7n es utili8ada en ciertos medicamentos % como a#ente adsor)ente Conser'a su color )lanco durante la cocci4n Su &4rmula es Al2Si2O.,O93- 4 Al2O02SiO2292O ,disilicato alum5nico dihidratado3 Es silicato de aluminio hidratado &ormado por la descomposici4n de &eldespato % otros silicatos de aluminio
Otros usos en la construcci4n: ; Terrapl7n ; material crudo en la &ormulaci4n de crisolita ; placas de 'idrio ; Usado para producir arcillas pesadas ; En pistas para aterri8a"e de a'iones ; En me8clas termoplásticas para techar ; Como relleno en lin4leo % en cementos resistentes a los ácidos % re&ractarios ; En co"ines de &ieltro para paneles o ta)leros de metal ; En re'estimientos plásticos para ductos( ladrillos para pisos % para sellar me8clas ; En me8clas termoplásticas para techar ; En el concreto me"ora la dura)ilidad( remue'e e
l hidr4+ido de calcio *u5micamente acti'o( me"ora la porosidad % la adhesi4n entre el cemento( la arena % la #ra'a Arcillas illitas (colapsables)
La illita es un mineral del #rupo de los silicatos La illita es un &ilosilicato o silicato laminar La &4rmula *u5mica es ,<(90O3,Al( =#( Fe32,Si( Al3-O>1?,O932(,92O El #rupo de las ilitas está constituido por di'ersos minerales parecidos a la mica musco'ita La ilita es( posi)lemente( el #rupo más a)undante en los dep4sitos arcillosos marinos modernos Es tam)i7n la arcilla más a)undante en los dep4sitos sedimentarios anti#uos % es el material arcilloso predominante en las lutitas Caracter5sticas: medianamente inesta)les( medianamente ine+pansi)les( mediana plasticidad( án#ulo de &ricci4n interna media La illita es un producto de la alteraci4n o meteori8aci4n de la mosco'ita % el &eldespato en am)iente de meteori8aci4n h5drica % t7rmica Es com!n en sedimentos( suelos( rocas arcillosas sedimentarias( % en roca metam4r&ica Se di&erencia de la #lauconita en sedimentos por análisis de ra%os @ Están estructuradas análo#amente como las montmorilonitas( pero en su constituci4n interna mani&iesta tendencia a &ormar #rumos de materia( *ue reducen el area e+puesta al a#ua por unidad de 'olumen por ello su e+pansi'idad es menos *ue la de las montmorilonitas % en #eneral( las arcillas iliticas( se comportan mecánicamente en &orma más &a'ora)le para el in#eniero
Arcillas motmorillonitas (expansivas)
Una arcilla e+pansi'a es a*uella arcilla suscepti)le de producir #randes cam)ios de 'olumen( en directa relaci4n con los cam)ios en la humedad del suelo La miti#aci4n de los
e&ectos de una arcilla e+pansi'a en las estructuras reali8adas en las áreas con arcillas e+pansi'as es un desa&5o en la in#enier5a #eot7cnica Las arcillas se e+panden con la humedad % se contraen al secarse( &ormando pro&undas #rietas Este proceso &a'orece la me8cla de materiales desde hori8ontes más pro&undos( %a *ue al rellenarse las #rietas con material e+terno( cuando la arcilla 'uel'e a hidratarse( e+pulsa parte del material más pro&undo por la &alta de espacio Este proceso repetido durante a6os aca)a #enerando suelos de tipo 'ertisol Las montmorilonitas estan &ormadas por una lámina alum5nica % dos s5il5cicas( en este tipo de arcilla la uni4n entre las reticulas es de)il( por lo *ue las moleculas del a#ua pueden introducisrse en la estructura con relati'a &acilidad Son e+pansi'as %a *ue de)ido a lo anterior( se produce un incremento ' olumetrico dLa montmorillonita es un mineral del #rupo de los silicatos( su)#rupo &ilosilicatos % dentro de ellos pertenece a las llamadas arcillas Es un hidro+isilicato de ma#nesio % aluminio( con otros posi)les elementos Reci)e su nom)re de la localidad &rancesa de =ontmorillon Se caracteri8a p or una composici4n *u5mica inconstante Es solu)le en ácidos % se e+pande al contacto con a#ua Estructuralmente se compone por una capa central *ue contiene aluminio % ma#nesio coordinados octa7dricamente en &orma de 4+idos e hidr4+idos Dicha capa central está rodeada por otras dos capas Las capas e+ternas están &ormadas por 4+idos de silicio coordinados tetra7dricamente $ara cimentaci4n de c onstrucciones es uno de los terrenos en los *ue se de)en tomar más precauciones de)ido a su carácter e+pansi'o Tam)i7n posee propiedades ti+otr4picas( lo *ue permite su utili8aci4n como lodos de per&oraci4ne los cristales % presentan una &uerte tendencia a la inesta)ilidad
Las importantes aplicaciones industriales de este #rupo de minerales radican en sus propiedades &isico*u5micas
Dichas propiedades deri'an( principalmente( de: Su e+tremadamente pe*ue6o tama6o de part5cula ,in&erior a 2 m3 Su mor&olo#5a laminar ,&ilosilicatos3 Las sustituciones isom4r&icas( *ue dan lu#ar a la a parici4n de car#a en las láminas % a la presencia de cationes d7)ilmente li#ados en el espacio interlaminar Como consecuencia de estos &actores( presentan( por una parte( un 'alor ele'ado del área super&icial %( a la 'e8( la presencia de una #ran cantidad de super&icie acti'a( con enlaces no saturados $or ello pueden interaccionar con mu% di'ersas sustancias( en especial compuestos polares( por lo *ue tienen comportamiento plástico en me8clas arcillaa#ua con ele'ada proporci4n s4lidol5*uido % son capaces en al#unos casos de hinchar( con el desarrollo de propiedades reol4#icas en suspensiones acuosas $or otra parte( la e+istencia de car#a en las láminas se compensa( con la entrada en el espacio interlaminar de cationes d7)ilmente li#ados % con estado 'aria)le de hidrataci4n( *ue pueden ser intercam)iados &ácilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una soluci4n saturada en otros cationes( a esta propiedad se la conoce como capacidad de intercam)io cati4nico % es tam)i7n la )ase de multitud de aplicaciones industriales
Propiedades fisico-químicas. Superficie específica.
La super&icie espec5&ica o área super&icial de una arcilla se de&ine como el área de la super&icie e+terna más el área de la super&icie interna ,en el caso de *ue esta e+ista3 de las 2
part5culas constitu%entes( por unidad de masa( e+presada en
m
g
2
m /g
Las arcillas poseen una ele'ada super&icie espec5&ica( mu% importante para ciertos usos industriales en los *ue la interacci4n s4lido&luido depende directamente de esta propiedad A continuaci4n se muestran al#unos e"emplos de super&icies espec5&icas de arcillas: Caolinita de ele'ada cristalinidad hasta >. m2# Caolinita de )a"a cristalinidad hasta .1 m2# 9alloisita hasta 1 m2# Illita hasta .1 m2# =ontmorillonita 1011 m2# Sepiolita >112-1 m2# $ali#orsGita >11211 m2# Capacidad de Intercambio catinico.
Es una propiedad &undamental de las esmectitas Son capaces de cam)iar( &ácilmente( los iones &i"ados en la super&icie e+terior de sus cristales( en los espacios interlaminares( o en otros espacios interiores de lasestructuras( por otros e+istentes en las soluciones acuosas en'ol'entes La capacidad de intercam)io cati4nico ,CEC3 se puede de&inir como la suma de todos los cationes de cam)io *ue un mineral puedeadsor)er a un determinado p9 Es e*ui'alente a la medida del total de car#as ne#ati'as del mineral Estas car#as ne#ati'as pueden ser #eneradas de tres &ormas di&erentes: Sustituciones isom4r&icas dentro de la estructura Enlaces insaturados en los )ordes % super&icies e+ternas Disociaci4n de los #rupos hidro+ilos accesi)les El primer tipo es conocido como car#a permanente % supone un 1 / de la car#a neta de la part5cula Además es independiente de las condiciones de p9 % acti'idad i4nica del medio Los dos !ltimos tipos de ori#en 'ar5an en &unci4n del p9 % de la acti'idad i4nica Corresponden a )ordes cristalinos( *u5micamente acti'os % representan el 2 1 / de la car#a total de la lámina
A continuaci4n se muestran al#unos e"emplos de capacidad de intercam)io cati4nico ,en me*>11 #3: Caolinita: 9alloisita: Illita: Clorita: Hermiculita =ontmorillonita Sepiolitapali#orsGita
0. >1-1 >1.1 >1.1 >11211 1211 210.
Capacidad de absorcin.
Al#unas arcillas encuentran su principal campo de aplicaci4n en el sector de los a)sor)entes %a *ue pueden a)sor)er a#ua u otras mol7culas en el espacio interlaminar ,esmectitas3 o en los canales estructurales ,sepiolita % pali#orsGita3 La capacidad de a)sorci4n está directamente relacionada con las caracter5sticas te+turales ,super&icie espec5&ica % porosidad3 % se puede h a)lar de dos tipos de procesos *ue di&5cilmente se dan de &orma aislada: a)sorci4n ,cuando se trata &undamentalmente de procesos &5sicos como la retenci4n por capilaridad3 % adsorci4n ,cuando e+iste una interacci4n de tipo *u5mico entre el adsor)ente( en este caso la arcilla( % el l5*uido o #as adsor)ido( denominado adsor)ato3 La capacidad de adsorci4n se e+presa en porcenta"e de a)sor)ato con respecto a la masa % depende( para una misma arcilla( de la sustancia de *ue se trate La a)sorci4n de a#ua de arcillas a)sor)entes es ma%or del >11/ con respecto al peso
!idratacin e "inc"amiento.
La hidrataci4n % deshidrataci4n del espacio interlaminar son propiedades caracter5sticas de las esmectitas( % cu%a importancia es crucial en los di&erentes usos industriales Aun*ue hidrataci4n % deshidrataci4n ocurren con independencia del tipo de cati4n de cam)io presente( el #rado de hidrataci4n s5 está li#ado a la naturale8a del cati4n interlaminar % a la car#a de la lámina
La a)sorci4n de a#ua en el espacio interlaminar tiene como consecuencia la separaci4n de las láminas dando lu#ar al hinchamiento Este proceso depende del )alance entre la atracci4n electrostática cati4nlámina % la ener#5a de hidrataci4n del cati4n A medida *ue se intercalan capas de a#ua % la separaci4n entre las láminas aumenta( las &uer8as *ue predominan son de repulsi4n electrostática entre láminas( lo *ue contri)u%e a a*uel proceso de hinchamiento pueda lle#ar a disociar completamente unas láminas de otras Cuando el cati4n interlaminar es el sodio( las esmectitas tienen una #ran capacidad de hinchamiento( pudiendo lle#ar a producirse la completa disociaci4n de cristales indi'iduales de esmectita( teniendo como resultado un alto #rado de dispersi4n % un má+imo desarrollo de propiedades coloidales Si por el contrario( tienen Ca o =# como cationes de cam)io su capacidad de hinchamiento será mucho más reducida #ama$o de la partícula%
La estructura laminar % el tama6o in&erior a las dos micras de los #ranos de los minerales arcillosos tienen #ran in&luencia en la plasticidad %a *ue se produce un &en4meno &5sico de retenci4n de a#ua con aumento de 'olumen *ue act!a como lu)ricante haciendo res)alar las part5culas entre s5 Este aumento de 'olumen puede lle#ar a ser del 211 / De)ido a su #ran &inura( las arcillas se pueden mantener en suspensi4n en el a#ua un cierto tiempo a!n estando esta en reposo ,Fluidi&icaci4n3 $osteriormente se depositan en estratos del mismo modo en *ue se &orm4 la roca ori#inal #ixotropía
La ti+otrop5a se de&ine como el &en4meno consistente en la p7rdida de resistencia de un coloide( al amasarlo( % su posterior recuperaci4n con el tiempo Las arcillas ti+otr4picas cuando son amasadas se con'ierten en un 'erdadero l5*uido Si( a continuaci4n( se las de"a en reposo recuperan la cohesi4n( as5 como el comportamiento s4lido $ara *ue una arcilla ti+otr4pica muestre este especial comportamiento de)erá poseer un contenido en a#ua pr4+imo a su l5mite l5*uido $or el contrario( en torno a su l5mite plástico no e+iste posi)ilidad de comportamiento ti+otr4pico
Plasticidad
La caracter5stica &5sica más si#ni&icati'a de las arcillas es la plasticidad( *ue es la capacidad de de&ormarse ante un es&uer8o mecánico conser'ando la de&ormaci4n al retirarse la car#a En las arcillas depende &undamentalmente del contenido de a#ua( si está seca no es plástica( se dis#re#a( % con e+ceso de a#ua se separan las láminas Depende tam)i7n del tama6o de part5cula % de la estructura laminar Cuando esta con'enientemente humedecida puede adoptar cual*uier &orma Esta propiedad se de)e a *ue el a#ua &orma una en'olturaJ so)re las part5culas laminares( produciendo un e&ecto lu)ricante *ue &acilita el desli8amiento de unas part5culas so)re otras cuando se e"erce un es&uer8o so)re ellas La ele'ada plasticidad de las arcillas es con secuencia de su mor&olo#5a laminar( tama6o de part5cula e+tremadamente pe*ue6o ,ele'ada área super&icial3 % alta capacidad de hinchamiento En #eneral( cuanto más pe*ue6as son las part5culas % más imper&ecta su estructura( más plástico es el material El a#ua se presenta en las arcillas en tres &ormas: 9idrataci4n *u5micamente com)inada( plasticidad( rodeando las part5culas minerales o intersticial( rellenando los huecos entre los #ranos Arcilla en &unci4n de la humedad En ella se distin#uen tres &ases: ,i3 Etapa inicial( en la cual solo tiene lu#ar un pe*ue6o aumento de la consistencia al incrementar el contenido de humedad ,ii3 Una etapa intermedia( en la cual tiene lu#ar un repentino aumento de la consistencia ,iii3 Una etapa &inal( la cual la consistencia disminu%e )ruscamente En la primera etapa pel5culas de a#ua( de espesor 'aria)le( rodean a las particulas o #rupos de particulas de arcilla( produciendo un e&ecto macrosc4pico seme"ante a la #ranulaci4n En la se#unda etapa( el a#ua li)re ocupa los intersticios e+istentes entre las particulas de arcilla dando lu#ar a &uer8as de atracci4n capilares de)idas a la tensi4n super&icial del a#ua(
*ue cohesionan el sistema particulado produciendo un aumento de la consistencia *ue alcan8a rápidamente un má+imo En la tercera etapa( cuando la cantidad de a#ua *ue se a6ade es superior al contenido *ue hace má+ima a la consistencia( lo *ue ocurre es *ue aumenta el espesor de la pel5cula de a#ua entre las particulasde)ilitándose las &uer8as de atracci4n ca pilares % el sistema particulado comien8a a comportarse como un l5*uido Ba"o esas circunstancias( la consistencia disminu%e rápidamente % se apro+ima a cero
Las arcillas de acuerdo al grado de plasticidad se clasifcan en magras y grasas. Las arcillas grasas son las que poseen u na gran plasticidad, incluso para pequeñas humedades. Presentan en su constitución una gran concentración de minerales arcillosos y una baja concentración en arenas silíceas. Se moldean con acilidad, pero su gran adherencia impide el desmoldeo correcto del producto moldeado. Por su parte, las arcillas magras son las poseen una baja plasticidad. sta plasticidad se puede aumentar con hidró!ido, carbonato o silicato sódico, con cal, o!alato humus. La misma se puede reducir con la utili"ación de desgrasantes.
n la industria normalmente se ensayan distintas proporciones de agua hasta que con la aplicación de una energía determinada, que es una constante de la m#quina utili"ada, se consigue el eecto deseado$ la e!trusión, el prensado, etc. ste concepto est# intimamente unido al de % trabajabilidad%. &na pasta presenta comportamiento pl#stico, desde que puede considerarse deormable con el procedimiento utili"ado hasta que presenta una resistencia a la compresión Kgf inerior a '.'( )
cm
2
, momento en el que se considera que adquiere las
propiedades de un líquido *iscoso. sta resistencia a la compresión coincide con la que presentan las pastas elaboradas con la cantidad de agua correspondiente al límite líquido de +tterberg . n principio, un aumento de plasticidad de una pasta produce$ &na mayor ductibilidad de los productos moldeados. &na retención mayor de agua que se traduce en una mayor contracción de secado y un aumento de la posibilidad de ormación de grietas. &na disminución de la *elocidad de ormación de pared en el caso de moldeo por colado.
