CENTRO DE CIENCIAS DEL DISEÑO Y LA CONSTRUCCIÓN. DPTO. DPTO. DE GEOTECNIA E HIDRAULICA Comportamiento de Sueo! ".# $ISICO %UI&ICA DE LAS ARCILLAS
Profesor: Ing. Efrén Zúñiga Juárez Carrera: Ingeniería Civil. Fecha de enrega: !" ! " de #goso de !$%&
Alumno: Emmanuel Alejandro Gutiérrez Velázquez. Velázquez.
FISICO QUIMICA DE LAS ARCILLAS En los suelos de grano muy fno, uerzas de otros tipos ejercen accin important!sima, ello es de"ido a que en estos granos, la relacin de área a #olumen alcanza #alores de consideracin y uerzas electromagnéticas desarrolladas en la superfcie de los compuestos minerales co"ran signifcacin. En general, se estima que esta acti#idad en la superfcie de la part!cula indi#idual es undamental para tama$os menores que dos micras %&.&&' mm.( )na de las teor!as más comunes *asta a*ora desarrolladas para e+plicar la estructura interna de las arcillas es la que se presenta a continuacin. a superfcie de cada part!cula de suelo posee carga eléctrica negati#a, seg-n se desprende de la estructura inica. a intensidad de la carga depende de la estructuracin y composicin de la arcilla. As! la part!cula atrae a los iones positi#os del agua %/( y a cationes de dierentes elementos qu!micos, tales como 0a/, 1/, 2a //, 3g//, Al///,4e///,etc. o anterior conduce, en primer lugar, al *ec*o de que cada part!cula indi#idual de arcilla se #e rodeada de una capa de moléculas de agua orientadas en orma defnida y ligadas a su estructura. as moléculas de agua son polarizadas, es decir, en ellas no coinciden los centros de gra#edad de sus cargas negati#as y positi#as, sino que uncionan como peque$os dipolos permanentes, al ligarse a la part!cula por su carga %/(, el polo de carga %5( queda en posi"ilidad de actuar como origen de atraccin para otros cationes positi#os. os propios cationes atraen moléculas de agua gracias a la naturaleza polarizada de éstas, de modo que cada catin está en posi"ilidad de poseer un #olumen de agua en torno a él. El agua adsor"ida por cada catin aumenta con la carga eléctrica de éste y con su radio inico. 6or lo anterior, cuando las part!culas del suelo atraen a los cationes, se #e reorzada la pel!cula de agua ligada a la part!cula. a magnitud de las presiones de adsorcin e+istentes en la pel!cula de agua que rodea a un cristal de arcilla, ue reportada por 7inter8orn y 9a#er, quienes dan un #alor de '&, &&& 8g + cms'.
Intercambio Catiónico os cristales de arcilla pueden cam"iar los cationes adsor"idos en su pel!cula superfcial por ejemplo, una arcilla *idrogena %con cationes /( puede transormarse en sdica, si se *ace que circule a tra#és de su masa, agua con sales de sodio en disolucin. En realidad lo que ocurre es un intercam"io de cationes entre el agua y las pel!culas adsor"idas por las part!culas minerales, algunas #eces en reaccin rápida. os cationes intercam"ia"les más usuales son 0a/, 1/, 2a//, 3g//,/ y %0;(/. a capacidad de intercam"io crece con el grado de acidez de los cristales, es decir es mayor si el p del suelo es menor la acti#idad catinico se *ace nota"le, en general, para #alores del p
menores que <. a capacidad de intercam"io tam"ién crece con la #elocidad y concentracin de la solucin que circule por la masa de suelo.
Identifcación de minerales de arcilla E+isten *oy #arios procedimientos al alcance del in#estigador a fn de identifcar los minerales constituyentes de una arcilla, los métodos de in#estigacin por =ayos > y el conocido como 9alance ?érmico de las arcillas son los más conocidos, el microscopio electrnico proporciona datos -tiles tam"ién, so"re todo en lo reerente a orma y tama$o de las part!culas minerales. os =ayos > se diractan a su paso a tra#és de una muestra de arcilla y cada trayectoria de diraccin es una imagen de distintos planos atmicos, el conjunto de trayectorias retrata la estructura interna de la arcilla. As! se re#ela un promedio de ' + @& < láminas reticulares por cent!metro de material. El microscopio electrnico permite distinguir ciertos minerales de orma muy t!pica, tales como la *aloisita, 6ero sus resultados plantean pro"lemas de interpretacin en la ormas de escama, de las que participan gran numero de minerales de arcilla. El análisis qu!mico e sutil, pero da la composicin integral de la arcilla y no inorma como se distri"uyen sus componentes, en el caso de que se trate de arcillas producto de la mezcla de #arias clases de minerales. Aun en arcillas puras, ormadas por un solo mineral , la composicin de éste puede tener #ariaciones importantes, por lo que los métodos qu!micos pueden ser conclusiones inseguras.
Relación entre las ases sólidas y li!idas en !na arcilla urante muc*o tiempo se crey que los minerales de las arcillas eran de naturaleza amora, pero todas las in#estigaciones de detalle realizadas *asta a*ora *an demostrado, que son cristalinos y altamente estructurados. E+isten suelos que al ser remoldeados, cam"iando su contenido de agua, si es necesario, adoptan una consistencia caracter!stica que se *a denominado plástica. Estos suelos *an sido llamados arcillas originalmente por los *om"res dedicados a la cerámica la pala"ra pas a la mecánica de suelos, en épocas más recientes, con idénticos signifcados. la plasticidad es en este sentido, una propiedad tan e#idente que *a ser#ido de anta$o para clasifcar suelos en orma puramente descripti#a. 6ronto se reconoci que e+ist!a una relacin espec!fca entre la plasticidad y las propiedades !sico 5 qu!micas determinantes del comportamiento mecánico de las arcillas. as in#estigaciones *an pro"ado que la plasticidad de un suelo es de"ida a su contenido de part!culas más fnas de orma laminar ya que esta ejerce una inBuencia importante en la compresi"ilidad del suelo, mientras que el peque$o tama$o propio de esas part!culas *ace que la permea"ilidad del conjunto sea muy "aja.
Ctras ramas de la ingenier!a *an desarrollado otra interpretacin del concepto de plasticidad, como es el caso del esuerzo5deormacin de los materiales. Al tratar de defnir en términos simples la plasticidad de un suelo, no resulta sufciente decir que un suelo plástico puede deormarse y remodelarse sin agrietamiento, pues una arena fna y *-meda tiene esas caracter!sticas cuando la deormacin se produce lentamente y, sin em"argo, no es plástica en un sentido más amplio de la pala"ra *ay entre el comportamiento de la arcilla y el de la arena en cuestin una importante dierencia: el #olumen de la arcilla permanece constante durante la deormacin, mientras que el de la arena #ar!a además, la arena se desmorona en deormacin rápida. 6or lo tanto, en mecánica de suelos podemos defnir la plasticidad como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deormaciones rápidas, sin re"ote elástico, sin #ariacin #olumétrica aprecia"le y sin desmoronarse ni agrietarse.
"ro#iedades $sico%!$micas as importantes aplicaciones industriales de este grupo de minerales radican en sus propiedades !sico5qu!micas. ic*as propiedades deri#an, principalmente, de: • • •
Du e+tremadamente peque$o tama$o de part!cula %inerior a ' mm( Du morolog!a laminar %flosilicatos( as sustituciones isomrfcas, que dan lugar a la aparicin de carga en las láminas y a la presencia de cationes dé"ilmente ligados en el espacio interlaminar.
2omo consecuencia de estos actores, presentan, por una parte, un #alor ele#ado del área superfcial y, a la #ez, la presencia de una gran cantidad de superfcie acti#a, con enlaces no saturados. 6or ello pueden interaccionar con muy di#ersas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento plástico en mezclas arcilla5agua con ele#ada proporcin slidol!quido y son capaces en algunos casos de *inc*ar, con el desarrollo de propiedades geolgicas en suspensiones acuosas.
