Propiedades físico-químicas de las arcillas
La actividad físico-química de los suelos depende de:
• Superficie específica de las partículas, que a su vez es función de: Morfología de las partículas (Esférica, Laminar, fibrosa...) Tamaño de las partículas
• Desarrollo de cargas eléctricas • Capacidad de Intercambio Catiónico (función de las anteriores)
La superficie específica de las partículas La superficie específica de las partículas depende de dos factores:
• Morfología de las partículas: La superficie específica aumenta cuanto más se aleja la morfología de la equidimensionalidad Esfera < Lámina < Fibra
• Tamaño de partícula: La superficie específica aumenta al disminuir el tamaño de partícula
Superficie específica (c = 1cm)
A=4*(4+4+4+4)=4*16=64 cm2
a = 8cm VOLUMEN = 8*8= 64cm3
A1=8+8+8+8=32 cm
2
A=16*(2+2+2+2)= 16*8=128 cm2
A=4*(8+2+8+2)=4*20=80 cm2
A=16*(8+0.5+8+0.5)= 16*17=272 cm2 A=32*(2+1+2+1)= 32*6=192 cm2
A=64*(1+1+1+1)= 2 64*4=256 cm
A=64*(8+0.125+8+0.125)= 2 64*16.25=1040 cm
La meteorización física es el fenómeno por el cual las rocas, suelos y sedimentos se disgregan en fragmentos progresivamente más pequeños debido a la acción de agentes externos como la temperatura, el agua, el viento, el hielo y la vegetación.
Superficie específica 1200
Arcillas 1000 2
Superficie específica (m )
Arenas 800
600
400
200
0 0
10
20
30
40
Número de partículas
50
60
70
Superficie específica: Adsorción ADSORCIÓN: Fenómeno por el cual una sustancia (iónica o no), atraída por fuerzas, se adhiere a la superficie de otra por un periodo más o menos corto. Según la naturaleza de estas fuerzas que intervienen en la unión y según la sustancia se clasifica en: • Intercambio iónico: Fuerzas electrostáticas con iones • Fisisorción: Fuerzas débiles de van der Waals con moléculas orgánicas o iones y puentes de H • Quimisorción: Fuertes fuerzas covalentes o electrostáticas de corto rango con moléculas orgánicas o iones
Intercambio catiónico “Proceso reversible por los cuales las partículas sólidas del suelo adsorben iones de la fase acuosa liberando al mismo tiempo otros iones en cantidades equivalentes, estableciéndose el equilibrio entre ambas fases”
Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC): “Cantidad total de cationes intercambiables que un material o suelo puede adsorber a un determinado pH”
Intercambio catiónico • Proceso dinámico reversible que se desarrolla en la superficie de las partículas. Se origina por desequilibrios eléctricos de las partículas del suelo y por lo tanto, las partículas que tengan mayor cantidad de carga por unidad de superficie son las más activas • Para neutralizar las cargas eléctricas de la particula se adsorben iones en su superficie. Estos iones quedan débilmente retenidos sobre las partículas del suelo y se pueden intercambiar con la solución del agua del suelo en cantidades estequiometricamente equivalentes: 6 K+
3 Ca2+ ó 2Al3+
El intercambio es rápido. Cuando un coloide está más o menos seco, los iones están adheridos a su superficie, pero cuando se moja, se disocian de la superficie y es posible el intercambio.
Factores que afectan al intercambio catiónico • Fuerza de adsorción: Relacionada con el potencial iónico: F = Valencia/Radio iónico hidratado Cuanto menor radio iónico y mayor valencia, más cerca y más fuerte es adsorbido el catión “Serie Liotrópica” H+ > Al3+ > Ca2+ = Mg2+ > NH4+ = K+ > Na+ • Concentración relativa de iones en agua del suelo • Tamaño de las partículas: % fracción arcillosa • Composición del suelo: Minerales arcillosos y m.o. • pH del suelo: Carga eléctrica variable según pH
La carga eléctrica en las arcillas La carga eléctrica neta o total del suelo es la suma algebraica de sus cargas positivas y negativas.
Existen dos tipos de cargas: • Carga permanente: por sustitución isomórfica • Carga variable (con el pH): Al anfótero
Carga eléctrica en la superficie Carga eléctrica en la superficie
Sustitución isomórfica
Al3+ por Si4+ en la capa tetraédrica Mg 2+ por Al3+ en la capa octaédrica
Bordes quebrados El Al3+ es anfótero: Actúa como oxidante o reductor tomando o cediendo e- según el pH sea ácido o básico pH ácido: Protonación de OHAl(OH)3 + H+ = Al(OH)+2 Estas cargas + contrarrestan las -
pH básico: Al(OH)3 + 3·OH- = (AlO)- +3·H2O Estas cargas aumentan la carga - neta
a)
Capa tetraédrica Capa octaédrica Capa tetraédrica
b)
Capa tetraédrica Capa octaédrica Capa tetraédrica
La DCED • Máxima concentración de cationes adsorbidos en la superficie de las arcillas. La concentración disminuye a medida que aumenta la distancia a la misma, hasta equilibrarse con la concentración del agua de los poros del suelo. Dos fuerzas opuestas en los cationes: •Atracción electrostática a la superficie de la partícula (siempre de carga negativa) •Tendencia a equilibrar la diferencia de concentraciones entre el medio acuoso y la superficie arcillosa: Difusión
Doble capa eléctrica difusa (DCED)
DCED: Tipo de catión
DCED: Concentración de cationes
La DCED Las DCED se repelen electrostáticamente y no pueden solaparse a no ser que las fuerzas de atracción entre partículas superen a las fuerzas de repulsión entre DCED
La presencia de DCED en torno a las partículas arcillosas condiciona sus posibilidades de acercamiento y enlace.
Concentración (N)
Espesor de la DCED
Espesor (A) +
++
10-5
1000
500
10-3
100
50
10-1
10
5
Modelos de asociaciones de partículas arcillosas Van Olphen (1963) a) b)
a) Dispersas y floculadas b) b)( F-F)Agregadas pero defloculadas, c) c)
d)
(E-F) Floculadas pero dispersas,
d) (E-E) Floculadas pero dispersas e) (E-F) y (E-E) floculadas y agregadas, f) (E-E) floculadas y agregadas
e)
f)
FÁBRICA DE UNA ESMECTITA
Contactos cara - borde
Cambio de fábrica con la presión de confinamiento La fábrica se hace cada vez menos porosa y las partículas adquieren una orientación preferente
Cambio de fábrica con la compactación La fábrica se hace más cerrada cuanto mayor: . H2O compactación . Energía de compactación
-
Cl
-
Cl
Na+
Na
+
Na
SOLO ARCILLAS EXPANSIVAS (ESMECTITAS)
+
Na+
+
Na
Cl
-
Cl
1. Hidratación de cationes interlaminares (Hinchamiento mineral: Rayos-X)
-
-
Cl
+
+
+
Na
Na
Na
+
Na
Cl
Cl
Cl
-
-
-
Na+
TODAS LAS ARCILLAS
+
Na
Na+
Na+
Cl
+
Na
-
-
Cl
-
Cl
2. Hidratación de cationes de cambio 3. Adsorción de moléculas de agua en la superficie 4. Absorción (En la red porosa): Percolación
Partículas arcillosas Agregados arcillosos
Microporo
Macrounidades texturales
Macroporo
Macroporosidad interagregado / Microporosidad intraagregado
Microporo
Compactación
Macroporo
Disminución de la macroporosidad inter-agregado y posteriormente de la microporosidad intra-agregado
1) Estabilización con cal
2) Dispersividad de arcillas DISPERSIÓN: “Proceso mediante el cual las partículas individuales de arcilla son liberadas del conjunto del material y se ponen en suspensión en agua, pudiendo ser arrastradas por el flujo”
FACTORES: • Mineralogía de arcillas: ESMECTITA > ILLITA > CAOLINITA • Proporción relativa entre cationes de cambio monovalentes (Na+) y divalentes (Ca2+, Mg2+) del suelo y composición química del agua. – Sodium Absorption Ratio (SAR) en el extracto de agua de poros: Na + SAR =
(
)
⎡1 2+ 2+ ⎤ + · Ca Mg ⎢⎣ 2 ⎥⎦
1
2
– Exchangeable sodium percentage (ESP) en la muestra de material: Na + ESP =
Na + + K + + Ca 2+ + Mg 2+
·100
Problema en presas materiales sueltos: Erosión interna o PIPING (TETON DAM)
3) Sensitividad de arcillas • Arcillas sensitivas (QUICK CLAYS) son arcillas de origen marino, saturadas en sales, ricas en Na+. Fundamentalmente arcillas no activas (Caolinitas, Illitas, Cloritas) que al percolar agua de lluvia (dulce), sufren un lavado del sodio, una contracción repentida de la DCED y una pérdida de estabilidad estructural. • Lá pérdida de Na+ como catión de cambio hace que baje bruscamente el Límite Líquido, mientras la humedad se mantiene constante, disminuyendo la plasticidad
• Sensitividad: Resitencia al corte no drenado en muestra inalterada /muestra remoldeada
Muchas gracias por vuestra atención
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