Arcillas y su utilidad en la ingeniería civil
Alave Huanca, Milagros Danna Arpa Días, Alexis David Laguna Chite, Milagros Nataly Robles Mamani, Gabriel Tarqui Cabana, Carlos Eduardo Universidad Privada de Tacna, Tacna Septiembre- 2016
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INDICE INTRODUCCION
……………………………………………………………………………… …………………………………… ……………………………………………………………………… ………………………………….…………3 …….…………3
FUNDAMENTO TEORICO ....................................................................................................................... 4 MARCO TEORICO
…………………………………………………………………… ……………………………… ……………………………………………………………………… ………………………………………………4 ……………4
MARCO CONCEPTUAL
……………………………………………………………………………… …………………………………………… …………………………………………………………….… ………………………….………18 ……18
BIBLIOGRAFIA
……………………………………………………………………………… ………………………………………… ………………………………………………………………… …………………………………….32 ……….32
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INDICE INTRODUCCION
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FUNDAMENTO TEORICO ....................................................................................................................... 4 MARCO TEORICO
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MARCO CONCEPTUAL
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BIBLIOGRAFIA
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INTRODUCCION
El término arcilla se usa habitualmente con diferentes significados: significados: Desde el punto de vista mineralógico, engloba a un grupo de minerales (minerales de la arcilla), filosilicatos en su mayor parte, cuyas propiedades físico-químicas dependen de su estructura y de su tamaño de grano, muy fino (inferior a 2 mm). Desde el punto de vista petrológico la arcilla es una roca sedimentaria, en la mayor parte de los casos de origen detrítico, con características bien definidas. Para un sedimentólogo, arcilla es un término granulométrico, que abarca los sedimentos con un tamaño de grano inferior a 2 mm. Para un ceramista una arcilla es un material natural que cuando se mezcla con agua en la cantidad adecuada adecuada se convierte en una pasta plástica. Desde el punto de vista económico las arcillas son un grupo de minerales industriales i ndustriales con diferentes características mineralógicas y genéticas y con distintas propiedades tecnológicas y aplicaciones.
Por tanto, el término arcilla no sólo tiene connotaciones connotaciones mineralógicas, sino también de tamaño de partícula, en este sentido se consideran arcillas todas las fracciones con un tamaño de grano inferior a 2 mm. Según esto todos los filosilicatos pueden considerarse verdaderas arcillas si se encuentran dentro de dicho rango rango de tamaños, incluso i ncluso minerales no pertenecientes al al grupo de losVfilosilicatos losVfilosilicatos (cuarzo, (cuarzo, feldespatos, etc.) pueden pueden ser considerados partículas arcillosas cuando están incluidos en un sedimento arcilloso y sus tamaños no superan las 2 mm. Las arcillas son constituyentes esenciales de gran parte de los suelos y sedimentos debido a que son, en su mayor parte, productos finales de la meteorización de los silicatos que, formados a mayores presiones y temperaturas, en el medio exógeno se hidrolizan.
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FUNDAMENTO TEORICO 1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION 1.2. MARCO TEORICO
El trabajo de graduación que se presenta a continuación, contiene la evaluación de características físicas, mecánicas y químicas de los suelos que se utilizan en la producción del ladrillo cocido en las fábricas artesanales de la región del Tejar-Chimaltenango, teniendo como finalidad, determinar propiedades, para establecer una dosificación adecuadas de la mezcla, para obtener un producto de calidad. Se realiza una descripción de los ensayos que se emplean para determinar las características físicas y propiedades mecánicas de las arcillas, como límites de Atterberg, gravedad específica, granulometría por sedimentación y tamices, porcentajes de absorción y ensayo a compresión, como un análisis química para determinar los minerales que contienen, para poder establecer las reacciones que las mismas tienen con los demás elementos que se utilizan en la fabricación de ladrillo cocido. Evaluar las propiedades físicas, mecánicas y químicas de los suelos que conforman la mezcla utilizada en la producción del ladrillo cocido artesanalmente, en el área del Tejar Chimaltemango. Efectuar una identificación de las características de la naturaleza geológica de las partículas que componen la muestra a evaluar Canalizar la viabilidad de implementar una técnica artesanal mejorada para fabricar ladrillos de calidad superior a los fabricados, actualmente. No puede determinarse por simple inspección visual, si el tipo de arcilla que se extrae de los bancos de materiales, es el adecuado para formar parte de la mezcla con la que se fabrica el ladrillo artesanal, debe someterse a una serie de ensayos físicos, ensayos mecánicos y análisis
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químico para determinar sus características y propiedades. ( Norma Lissette Zea Osorio2005) Influencia de la fábrica de las arcillas volcánicas de la ciudad de Xalapa (Mexico)
Las arcillas volcánicas de la Ciudad de Xalapa (México) se vienen estudiando sistemáticamente desde el año 1982, pero a raíz del crecimiento acelerado de desarrollos urbanos en los años 90, en áreas con topografía accidentada, se han tenido fallas de taludes a consecuencia de desmontes que han puesto en peligro edificios, casas habitación y cajas reguladoras de agua potable. Estas arcillas preconsolidadas, presentan un comportamiento inestable en el periodo de lluvias y en periodos de sequía, manifiestan agrietamiento en superficies de terreno natural y en los taludes expuestos a la intemperie el material arcilloso se desgrana. Son susceptibles a la erosión hídrica. Los conceptos teóricos básicos presentados, permitieron hacer la diferencia entre el concepto de microestructura y microfábrica de los suelos arcillosos. Basándose en los rasgos geológicos de la Cuenca de la Ciudad de Xalapa, pudo identificarse que los factores geoambientales que más influyen en el comportamiento de las arcillas son los cambios climáticos, como el régimen de lluvias y los cambios de temperatura ambiente, que incide en las características de resistencia del suelo, por otra parte, el factor sísmico de la región es una componente de menor influencia en dicho comportamiento. El trabajo de investigación presenta aspectos peculiares de la fábrica en este tipo de suelos volcánicos, que hasta la fecha no habían sido estudiados con profundidad. El estudio de la microestructura de la arcilla permitió comprender el comportamiento tensión-deformación y deformabilidad que exhiben estos suelos cuando se les somete a tensiones. Por otra parte, la
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identificación de la composición mineralógica de las arcillas volcánicas hizo posible entender el comportamiento del suelo en la etapa post-pico de resistencia residual. El tipo de interacciones entre las partículas, que constituyen estos suelos, fue identificado gracias a la caracterización físico-química que se llevó a cabo. Son varios los objetivos que se persiguen en este trabajo, a saber: - Identificar la fábrica que presentan los suelos de la ciudad de Xalapa en estado natural y en estado compacto, bajo diferentes métodos de compactación y observar como influye ésta en su comportamiento geotécnico. - Revisión bibliográfica que permitirá actualizar hasta el presente el estado del conocimiento de los suelos de origen volcánico. Esta revisión permitirá comparar las características geológicas y las propiedades geotécnica y de fábricas de otros suelos con los suelos en estudio. También permitirá comparar los ambientes climáticos en que se encuentran los suelos volcánicos del resto del mundo. - Dilucidar las causas que controlan el comportamiento geotécnico de las cenizas volcánicas y esclarecer cómo los factores ambientales influyen en estos suelos. -Identificación de las propiedades físico-químicas de los minerales de arcilla -Identificar las propiedades geotécnicas del suelo, tanto en estado natural como amasado, y sobre la base de ello, caracterizar al material arcilloso. Según la clasificación de Fisher (1961), la arcilla volcánica de Xalapa corresponde a una roca piroclástica, cuyas partículas son lanzadas al exterior del edificio volcánico de manera separada. El autor aludido, denomina a estos materiales cenizas (ver tabla 1.1). Considerando la evidencia presentada en las microfoto grafías obtenidas con microscopio electrónico de barrido de la figura 6.9, donde puede observarse que el suelo está en procesos de meteorización, puede considerarse, bajo estas condiciones, que la arcilla volcánica entra en la denominación de roca epiclástica.( Oscar de J. Lenz Hernandez - 7 de octubre del 2004)
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Diseño Geotécnico y estructural de una cimentación en arcilla expansiva ( Mexico)
Desde sus inicios la mecánica del suelo ha concedido más énfasis al estudio de los suelos saturados. Hoy en día se tiene un conocimiento muy bueno del comportamiento de los suelos saturados, mediante modelos mecánicos que permiten explicar de forma conjunta muchos comportamientos de resistencia, deformación volumétrica y al corte, etc. Sin embargo, existe una mayor escasez de información y conocimientos en el campo de los suelos parcialmente saturados. Es posible que este hecho sea debido a la gran ocurrencia de suelos saturados sedimentarios, en países con clima templado. También por el descubrimiento de la ley de esfuerzos efectivos de Terzaghi, que permite explicar de una forma sencilla el comportamiento de los suelos saturados. Sin embargo, existen condiciones en las que no se alcanza la saturación. Es más, los suelos parcialmente saturados son los más frecuentes en muchas regiones áridas y semiáridas. Gran parte de los comportamientos que experimenta un suelo parcialmente saturado están relacionados con la deformación volumétrica, por este motivo es por el que se han desarrollado fórmulas y modelos que tratan de explicar esta faceta de su comportamiento. Por otra parte hay una gran diversidad de suelos parcialmente saturados, muchos de ellos con características o comportamientos particulares, como arcillas expansivas muy plásticas (con expansiones y retracciones en ciclos de mojado y secado), depósitos aluviales (suelos colapsables cuando presentan una estructura abierta), aluviales y eólicos, suelos compactados, etc. Muchos de estos problemas se han tratado de resolver y estudiar por separado como un problema especial, sin embargo, se ha propuesto un estudio global de dichos suelos, desde la perspectiva del comportamiento controlado por la succión, como nexo de unión entre los suelos parcialmente saturados. El presente trabajo es el resultado de una investigación experimental en laboratorio, en el campo de la Mecánica de Suelos, para estimar los movimientos de una arcilla expansiva del
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Valle de Querétaro tomando como marco teórico el análisis de las deformaciones de un suelo parcialmente saturado. Se estudia la influencia de los cambios de humedad en una arcilla expansiva proveniente del Valle de Querétaro en la época de estiaje, sometiéndola a pruebas de expansión en odómetros convencionales, obteniéndose los parámetros necesarios para calibrar un modelo matemático que permite estimar los movimientos producidos por el incremento de carga externa y a la absorción de agua en las partículas de arcilla. Estos movimientos posteriormente se cargan en un programa de cómputo que además de realizar la interacción suelo-estructura, arroja los elementos mecánicos necesarios para el diseño estructural de una zapata corrida cimentada en dicha arcilla. Para que un suelo sea expansivo, debe contener un mineral arcilloso que manifieste cambios de volumen al ser sometido a cambios en su contenido de humedad, y este debe estas en condiciones de secado. Por tanto, la profundidad máxima de fluctuación en el contenido de humedad del suelo (zona activa) define su zona potencial de expansión. El grave problema que se tiene en los análisis de expansión, es el de la dificultad para determinar el valor de esa profundidad para un sitio dado, debido a la cantidad de variables que intervienen en ella. (Raul Beltran Martinez (2009)
Evaluación del Comportamiento Geomecánico de Arcillas en el Sector de Campoalegre (Bogota Colombia)
El proceso de expansión en suelos y rocas blandas ha sido motivo de estudio en muchas partes del mundo, debido principalmente, al efecto negativo que el cambio volumétrico tiene sobre las obras de infraestructura. Los daños originados por el comportamiento expansivo de estos materiales abarcan zonas amplias, y se encuentran relacionados no solo con movimientos diferenciales muy perjudiciales, sino con la generación de movimientos en masa en taludes que bajo técnicas de análisis convencionales son estables. Estos suelos y rocas
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tienen la propiedad de presentar cambios de volumen potencial (expansión y contracción), inducidos por variaciones en el contenido de agua o presión total actuante en el suelo. El comportamiento expansivo presentado en los suelos y rocas blandas fino-granulares (arcillas, limos y lodolitas) que afloran en esta zona y su área metropolitana, ha sido identificado y documentado en distintas investigaciones académicas y de consultoría desde hace varios años. Sin embargo, la práctica geotécnica más exhaustiva ha estado dirigida a la caracterización y evaluación de la resistencia al corte de estos materiales, como posible solución a los problemas de inestabilidad de laderas presentados. Aunque se dispone de un número considerable de trabajos sobre el comportamiento geotécnico de estos materiales, el campo de investigación aún está abierto en diversos aspectos fundamentales. El objetivo principal de esta investigación fue analizar el comportamiento geomecánico del material arcilloso aflorante en las laderas occidentales de Barranquilla, a partir de su caracterización física, microestructural y geotécnica, en conjunto con la consideración de los factores geoambientales presentes en la zona de estudio. Los objetivos específicos para lograr el objetivo de la investigación son: - Caracterizar el material arcilloso que conforma las laderas del sector Campo Alegre en la ciudad de Barranquilla, mediante la ejecución de ensayos mecánicos y pruebas físico – químicas, que permitan identificar un posible ambiente geológico de formación y su efecto en el comportamiento.
- Evaluar la influencia que tienen la microestructura, la composición mineralógica, la composición del fluido intersticial y el estado de esfuerzos en el terreno, en el comportamiento del material arcilloso aflorante en el sector de Campo Alegre – ciudad de
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Barranquilla. 17 Introducción Evaluación del Comportamiento Geomecánico de Arcillas en el Sector de Campoalegre – Ciudad de Barranquilla - Analizar el comportamiento esfuerzo – deformación del material, y predecir pérdidas de resistencia, cambios de volumen y fallas, entre otros, relacionados con las características geoambientales predominantes en la zona de estudio. En esta investigación se ha desarrollado una evaluación sistemática del comportamiento geomecánico de los suelos finos y rocas blandas (Arcillas de Barranquilla) de la Formación Las Perdices, presentes en las laderas occidentales de la ciudad de Barranquilla. Considerando el comportamiento geotécnico descrito en trabajos previos adelantados en la zona de estudio y con base en la problemática identificada asociada con movimientos diferenciales de estructuras y deslizamientos, el estudio se ha desarrollado partir de un exhaustivo plan ensayos de caracterización físico-mineralógica, microestructural y geotécnica, y en el marco de las condiciones geológicas y ambientales de la zona de estudio, con el cual se ha podido describir parcialmente el comportamiento geomecánico de estos materiales con base en la teoría de arcillas expansivas parcialmente saturadas propuesta en forma cualitativa por Gens y Alonso (1992). Dado que el desarrollo urbanístico de la Ciudad ha llevado a investigar el subsuelo desde sus capas más superficiales (suelos finos) hasta las rocas blandas en su menor condición de alteración, en ese trabajo se ha considerado la caracterización geomecánica del perfil del subsuelo hasta una profundidad aproximada de 20 metros, con el fin de aportar elementos de juicio en la práctica profesional y futuras investigaciones. ( Edgar Alexander Rodriguez Castiblanco (2004))
Estudio geologico y reconocimiento de arcillas expansivas en suelos de una zona al sur de Maracay, estado Aragua (Caracas)
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Las riberas del lago de Valencia están formadas por depósitos de origen aluvial y lacustrinos con diferencias importantes en su composición mineralógica. La principal fuente de sedimentos son las rocas de la Cordillera de la Costa las cuales son transportadas por una red de ríos y quebradas de relativamente corta extensión. Los depósitos lacustrinos están formados en buena parte por conchas de diatomeas contaminadas con importantes concentraciones de limos y arcillas de baja a media plasticidad. La zona de estudio esta conformada por planicies de agradación de las riberas del lago, que contienen significativas cantidades de restos de Planorbis Sp el cual e s llamado localmente “caracolillo”. Fueron
extraidas un total de 11 muestras de suelo, con un tamaño de 4 kilogramos de las cuales fueron analizadas con difractometria de rayos X un total de 7 muestras. Estos ensayos de DRX revelan la presencia de illita, caolinita y montmorillonita en casi 50% de peso total de las muestras. Estudio mineralógico del componente argilaceo de un suelo ubicado en una zona al sur de Maracay, estado Aragua. Elaboración de mapa 1:5000 de información de uso suelos de la zona de estudio. Elaboración del perfil del suelo de la zona de estudio Caracterización de arcillas en la zona de estudio mediante el uso de difractometria de rayos X. La zona de estudio esta formada por sedimentos aluviales y lacustrinos formados durante el Pleistoceno hasta la actualidad y cuya fuente es la cercana Cordillera de la Costa. Las perforaciones realizadas a lo largo de los años muestran que los primeros metros de suelo están conformados por limos y arenas finas con altos contenidos de materia orgánica y moluscos, descritos en forma general como “caracolillo”. Estos estratos suprayacen a estratos
porosos, blanquecinos en su mayoría, que han sido identificados como tierra de diatomeas.
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Los estudios de DRX muestran abundancia de arcillas del grupo de las esmectitas en los estratos superiores principalmente junto con abundancia de illita y caolinita. Las esmectitas representan casi la mitad de las arcillas presentes (48%), la illita representa un tercio (30%) y el resto (22%) es caolinita. La naturaleza feldespática de la Cordillera de la Costa y la presencia de feldespatos sódicos (albita) en los sedimentos estudiados, soporta la suposición que esta esmectita es montmorillonita sódica, la cual es la arcilla con mayor capacidad expansiva que existe. ( Br. Hernandez Rosales, Marco Antonio - Febrero de 2006)
Estudio del comportamiento de las bases de pavimentos rígidos en la ciudad de cuenca y su influencia en el diseño” (Cuenca, E cuador)
En la actualidad, se viene desarrollando el uso y estabilización de suelos, alrededor de todo el mundo, con el fin de obtener una mayor durabilidad de los materiales que conforman la estructura del pavimento, además de tener capas de mayor capacidad de soporte y que de igual forma sean más resistentes a los agentes atmosféricos. En la ciudad de Cuenca, la Ilustre Municipalidad se encuentra realizando trabajos de mantenimiento de losas de pavimento rígido, con la utilización de bases estabilizadas con cemento; tal es el caso del Pavimento de la calle Octavio Chacón de la zona del Parque Industrial de Cuenca, en la que se ha realizado una primera intervención, reponiéndose las losas más dañadas, existiendo otras que se encuentran en proceso de deterioro en la misma calle al igual que en otras del mismo sector y en general de la ciudad, y en vista de que se necesita evitar el colapso generalizado de toda la estructura de pavimento, la municipalidad deberá realizar el mantenimiento rutinario, continuo y oportuno. Al no existir un estudio riguroso sobre el comportamiento de las bases estabilizadas con cemento provenientes de materiales explotados en las canteras situadas en el sector la “Josefina”, se requiere realizar un estudio
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del comportamiento de dichos materiales y su influencia en la determinación de espesores de la estructura del pavimento rígido. Determinación de la solución de espesores de base y losa de pavimento rígido más económica, utilizando la estabilización con cemento del material proveniente de canteras del sector “La Josefina”.
Se determinó la variación que experimenta la capacidad portante del material de base proveniente de la cantera ubicada en el sector “La Josefina” en estado natural comparados
con los que se obtienen al agregarse el cemento para su estabilización. Una vez que se realizó la caracterización del material, tanto en estado natural como estabilizado con cemento, se definieron las condiciones de tránsito para la vía de estudio obteniéndose de esta forma las solicitaciones a las que estará expuesto el pavimento durante su vida útil. Contando con los elementos necesarios para el diseño se determinaron los espesores necesarios para la estructura de pavimento utilizando para dicho fin parámetros de la base estabilizada y sin estabilizar, y de esta forma determinar la variación en costos que experimenta con las opciones indicadas y realizar la evaluación económica. El material con el que se realiza el estudio es producto de explotación en minas, razón por la cual se pueden dar variaciones en su calidad, dependiendo de la zona en la que se explote, además puede haber estado expuesto a los agentes naturales generándose su meteorización por lo que pueden existir variaciones en la calidad de las muestras. A pesar de considerarse que la base estabilizada con cemento, tiene un mejor comportamiento desde el punto de vista estructural, dándose una menor deformabilidad, mayor resistencia, menor permeabilidad, con lo que se reducen los efectos del bombeo en el pavimento que es una de las causas para el fracaso de la estructura. Sin embargo en base al análisis económico que ser presentan en las tablas 28 y 29 de las distintas alternativas de diseño, la alternativa 2 es decir la que utiliza
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base sin estabilizar, resulta ser la menos costosa, existiendo una diferencia del 6.7% en costo, entre el diseño de ésta y la que utiliza base estabilizada con cemento. Con el fin de obtener una base estabilizada con cemento de buena calidad, es necesario realizar una mezcla homogénea, evitando así obtener zonas en las que se den concentraciones de cemento superiores a otras. Es necesario dar la importancia que ameritan los estudios y diseños con el fin de garantizar que éstos y los trabajos que se ejecutan en base a ellos se relacionen entre sí y sean lo más ajustados a la realidad. ( Ing. Eithel Xavier Murillo v.)
Evaluacion de tratamiento de los suelos expansivos en el canal de principal cabana, sector tiraccoma del proyecto de irrigacion vilque-mañazo del sistema integral de la lagunillas-puno
Realizar un estudio de detalle de estos suelos expansivos que por primera vez se presentan en la zona altiplánica peruana. Se da la caracterización físico y químico de estas arcillas en los cambios de volumen con presencia del agua de acuerdo a las condiciones Se dará a conocer la evaluación de tratamiento que experimentan los suelos arcillosos, ubicada en la derivación de Cabana del Proyecto de irrigación vilque-mañazo La expansividad de suelos es una propiedad física de los suelos que puede evaluarse en una cimentación en las estructuras constructivas existe hinchamiento del suelo cuando aumenta su cantidad de agua y se retraen cuando la disminuye La capacidad expansiva de un suelo arcilloso está determinada en alguna medida por su composición química y mineralógica. Se acepta generalmente que los factores que influyen sobre la expansividad potencial de un suelo arcilloso se encuentran descritos y asociados con
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el tipo de minerales y la cantidad relativa de cada uno de ellos, el hidróxido de entre capas, el tio de cationes, absorbidos y finalmente, con la composición del agua de poros. -
Métodos de identificación expansivo: En general se puede decir que las técnicas de identificación de los suelos expansivo que comúnmente se usan son: Método de identificación visual, método de identificación mineralógica, método indirecto basado en propiedades, índices, cambio de potencial de volumen y actividad
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Estabilización de arcillas expansivas con cal: En trabajos de ingeniería civil cuando se tratan de cimentaciones superficiales, ya sea de zapatas o bien de losas de cimentación para edificación o para un pavimento, entre otros, y muchas ocasiones nos encontramos al nivel en que requerimos apoyar nuestra estructura con suelos arcillosos con alto grado de expansividad de características plásticas, con riesgo de sufrir cambios volumétricos con los cambios de humedad y con una baja capacidad de soporte. Por lo tanto, es un suelo que se debe estabilizar para poder utilizarlo sin problemas. El objetivo de estabiliza el suelo consiste en modificar algunas características indeseables de una arcilla plástica, como es un índice plástico demasiado alto que significa un alto valor de expansión, así como una capacidad para soportar carga que será demasiado baja. Existen demasiadas formas de tratar de estabilizar una arcilla plástica; sin embargo, para fines de tema de investigación se utilizará unos de los métodos más antiguos empleados en la construcción que consiste en mezclar la arcilla con cal.
Los suelos de derivación de Cabana del Proyecto de irrigación vilque-mañazo tiene la característica físico-químico de una estructura básica, los minerales de arcilla pertenecen al grupo de las caolinitas, que lo caracterizan con una arcilla de baja plasticidad con efectos
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ligeramente peligrosos para la infraestructura de riego. ( Ing. Isidro Alberto Polares Hualpa (2009)
Respecto a la identificación y diagnóstico de cuales suelos y en que magnitud pueden experimentar deterioro de sus propiedades, se tiene casos en que se induce un abl andamiento o reducción del módulo de deformación correspondiente, e inclusive un considerable deterioro de la estructura misma del suelo con la correspondiente pérdida de resistencia. La importancia que reviste la predicción del asentamiento provocado por carga repetida puede considerarse de gran utilidad en la práctica profesional de la ingeniería civil. Toda obra de ingeniería civil, un edificio, una presa, un puente, una vía terrestre, etc., transmite su carga finalmente al suelo. Por lo tanto, la estabilidad y el comportamiento estático o dinámico, del sistema completo dependerá del efecto reciproco entre todos los componentes. Cuando se induce una carga repetida, bien se trate de sismos, vibración de maquinaria, tránsito de vehículos, etc., a una masa de suelo, se provocan cambios en el estado de esfuerzos de dicha masa, la cual puede causar un incremento tanto de la deformación como de la presión de poro. La disipación del incremento de la presión de poro puede dar origen a una deformación volumétrica y, por lo tanto, al asentamiento correspondiente; otros efectos son el ablandamiento y la perdida de resistencia al esfuerzo cortante. (Dias Rodriguez, 2006)
El reconocimiento de suelos tiene una perspectiva genérica en contraste con la actitud practica del estudio de la capacidad de la tierra.
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Los geólogos pueden considerar un suelo como la unidad epidérmica de un cuerpo geológico, por el cual deben pasar todos los materiales en el ciclo de erosion de la roca a los sedimentos arrojados a los océanos. La arcilla se produce en el suelo. Los suelos que contienen minerales intemperizables a arcillas silicatadas de capa , son cuerpos naturales en los que se forma la arcilla; son “fábricas de arcilla”
La resistencia de los sistemas de suelos a la erosion, citada en el concepto, da tiempo para que minerales intemperizables del suelo se alteren a arcillas y para que las arcillas se sinteticen a partir de los productos de intemperización. Es probable que las partículas de arcilla en las lutitas de la columna sedimentaria sean, en gran parte, productos de formación del suelo. (Buol, Hole, & McCracken, 2000)
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1.3. MARCO CONCEPTUAL
Como veremos, las propiedades de las arcillas son consecuencia de sus características estructurales. Por ello es imprescindible conocer la estructura de los filosilicatos para poder comprender sus propiedades. Las arcillas, al igual que el resto de los filosilicatos, presentan una estructura basada en el apilamiento de planos de iones oxígeno e hidroxilos. Los grupos tetraédricos ()−4 4 se unen compartiendo tres de sus cuatro oxígenos con otros vecinos
formando capas, de extensión infinita y fórmula (25)−, que constituyen la unidad fundamental de los filosilicatos. En ellas los tetraedros se distribuyen formando hexágonos. El silicio tetraédrico puede estar, en parte, sustituido por +3 o +3. Estas capas tetraédricas se unen a otras octaédricas de tipo gibbsita o brucita. En ellas algunos +3 o +, pueden estar sustituidos por Fe2+ o Fe3+ y más raramente por Li, Cr, Mn, Ni, Cu o Zn. El plano de unión entre ambas capas está formado por los oxígenos de los tetraedros que se encontraban sin compartir con otros tetraedros (oxígenos apicales), y por grupos ()− de la capa brucitica o gibsitica, de forma que, en este plano, quede un ()− en el centro de cada hexágono formado por 6 oxígenos apicales. El resto de
los ()− son reemplazados por los oxígenos de los tetraedros .
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También pertenecen a este grupo de minerales la Sepiolita y la Paligorskita, a pesar de presentar diferencias estructurales con el resto de los filosilicatos. Estructuralmente están formadas por láminas discontinuas de tipo mica. A diferencia del resto de los filosilicatos, que son laminares, éstos tienen hábito fibroso (figura siguiente), ya que la capa basal de oxígenos es continua, pero los oxígenos apicales sufren una inversión periódica cada 8 posiciones octaédricas (Sepiolita) o cada 5 posiciones (Paligorskita). Esta inversión da lugar a la interrupción de la capa octaédrica que es discontinua. CLASIFICACION
Los filosilicatos se clasifican atendiendo a que sean bilaminares o trilaminares y dioctaédricos o trioctaédricos que se muestran en la siguiente tabla. Como puede
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verse pertenecen a los filosilicatos grupos de minerales tan importantes como las micas y las arcillas.
Según su uso práctico:
Tierras Arcillosas; se vuelven vidriosas incluso a 900°C, contiene elevados porcentajes de partículas silicuas o calizas. Arcillas comunes; son fusibles y se usan a temperatura comprendidas entre 900 y 1050°C. Contienes grandes cantidades de Carbonato Cálsico y Óxidos de Hierro. Arcillas para losa: se usan hasta temperaturas de 1250°C, casi no contiene impurezas y contiene más de 25% de caolinita. Arcillas para gres: funde a temperaturas elevadas, pero sintetizan y compactan a temperaturas inferiores, originando productos de nula porosidad y vitrificados. Arcillas para porcelana: tienen un punto de vitrificación muy elevado por lo que se añaden un número elevado de fundentes. Según su fusibilidad y color de arcilla:
Caolines: su componente principal es la caolinita, puede usarse a temperaturas superiores a 1300°C. Arcillas refractarias: son arcillas que pueden usarse hasta los 1500°C. Su composición y color son variables aunque el contenido en Sílice es elevado. Arcillas gresificables: son arcillas bastante refractarias. Pueden usarse a temperaturas elevadas. Son mas plásticas que las refractarias, dando lugar a los productos de nula porosidad. Arcillas blancas grasas: Se usan a temperaturas inferiores a los 1250°C y poseen elevada plasticidad y gran encogido durante el secado. Toman color blanco o marfil después de la cocción.
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Arcillas rojas fusibles: son arcillas de alta fusibilidad. Son plásticas. Su composición es muy variable, pero siempre con alto contenido de hierro. Según su origen geológico:
Arcillas primarias: son aquellas que se encuentran en el mismo lugar de su formación. Por lo general solo podemos considerar, arcillas primarias, a los caolines. Arcillas secundarias o sedimentarias: son aquellas que no se encuentran en el lugar de formación por haber sido arrastradas y posteriormente sedimentadas. Estas Arcillas por lo general, están impurificadas con materiales muy diversos, lo que produce la gran diversidad de Arcillas que puedan encontrarse.
PROPIEDADES
Las importantes aplicaciones industriales de este grupo de minerales radican en sus propiedades físico-químicas. Dichas propiedades derivan, principalmente, de: Su extremadamente pequeño tamaño de partícula (inferior a 2 mm) Su morfología laminar (filosilicatos) Las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga en las láminas y a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar. Como consecuencia de estos factores, presentan, por una parte, un valor elevado del área superficial y, a la vez, la presencia de una gran cantidad de superficie activa, con enlaces no saturados. Por ello pueden interaccionar con muy diversas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento plástico en mezclas arcilla-agua con elevada proporción sólido/líquido y son capaces en algunos
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casos de hinchar, con el desarrollo de propiedades reológicas en suspensiones acuosas. Por otra parte, la existencia de carga en las láminas se compensa, como ya se ha citado, con la entrada en el espacio interlaminar de cationes débilmente ligados y con estado variable de hidratación, que pueden ser intercambiados fácilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una solución saturada en otros cationes, a esta propiedad se la conoce como capacidad de intercambio catiónico y es también la base de multitud de aplicaciones industriales. Superficie Específica:
La superficie específica o área superficial de una arcilla se define como el área de la superficie externa más el área de la superficie interna (en el caso de que esta exista) de las partículas constituyentes, por unidad de masa, expresada en m2/g. Las arcillas poseen una elevada superficie específica, muy importante para ciertos usos industriales en los que la interacción sólido-fluido depende directamente de esta propiedad. A continuación se muestran algunos ejemplos de superficies específicas de arcillas: Caolinita de elevada cristalinidad hasta 15 m2/g Caolinita de baja cristalinidad hasta 50 m2/g Halloisita hasta 60 m2/g Illita hasta 50 m2/g Montmorillonita 80-300 m2/g Sepiolita 100-240 m2/g Capacidad de Intercambio Catiónico:
Es una propiedad fundamental de las esmectitas. Son capaces de cambiar, fácilmente, los iones fijados en la superficie exterior de sus cristales, en los espacios
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interlaminares, o en otros espacios interiores de las estructuras, por otros existentes en las soluciones acuosas envolventes. La capacidad de intercambio catiónico (CEC) se puede definir como la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede adsorber a un determinado pH. Es equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral. Estas cargas negativas pueden ser generadas de tres formas diferentes: Sustituciones isomórficas dentro de la estructura. Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas. Disociación de los grupos hidroxilos accesibles. El primer tipo es conocido como carga permanente y supone un 80 % de la carga neta de la partícula; además es independiente de las condiciones de pH y actividad iónica del medio. Los dos últimos tipos de origen varían en función del pH y de la actividad iónica. Corresponden a bordes cristalinos, químicamente activos y representan el 20 % de la carga total de la lámina. A continuación se muestran algunos ejemplos de capacidad de intercambio catiónico (en meq/100 g): Caolinita: 3-5 Halloisita: 10-40 Illita: 10-50 Clorita: 10-50 Vermiculita: 100-200 Montmorillonita: 80-200 Sepiolita-paligorskita: 20-35
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Capacidad de Absorcion:
Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita). La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difícilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líquido o gas adsorbido, denominado adsorbato). La capacidad de adsorción se expresa en porcentaje de absorbato con respecto a la masa y depende, para una misma arcilla, de la sustancia de que se trate. La absorción de agua de arcillas absorbentes es mayor del 100% con respecto al peso. Hidratación o Hinchamiento:
La hidratación y deshidratación del espacio interlaminar son propiedades características de las esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales. Aunque hidratación y deshidratación ocurren con independencia del tipo de catión de cambio presente, el grado de hidratación sí está ligado a la naturaleza del catión interlaminar y a la carga de la lámina. La absorción de agua en el espacio interlaminar tiene como consecuencia la separación de las láminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la atracción electrostática catión-lámina y la energía de hidratación del catión. A medida que se intercalan capas de agua y la separación entre las láminas aumenta, las fuerzas que predominan son de repulsión electrostática entre láminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar
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completamente unas láminas de otras. Cuando el catión interlaminar es el sodio, las esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación de cristales individuales de esmectita, teniendo como resultado un alto grado de dispersión y un máximo desarrollo de propiedades coloidales. Si por el contrario, tienen Ca o Mg como cationes de cambio su capacidad de hinchamiento será mucho más reducida. Plasticidad:
Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma una envuelta sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas. La elevada plasticidad de las arcillas es consecuencia, nuevamente, de su morfología laminar, tamaño de partícula extremadamente pequeño (elevada área superficial) y alta capacidad de hinchamiento. Generalmente, esta plasticidad puede ser cuantificada mediante la determinación de los índices de Atterberg (Límite Líquido, Límite Plástico y Límite de Retracción). Estos límites marcan una separación arbitraria entre los cuatro estados o modos de comportamiento de un suelo sólido, semisólido, plástico y semilíquido o viscoso (Jiménez Salas, 1975). La relación existente entre el límite líquido y el índice de plasticidad ofrece una gran información sobre la composición granulométrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la arcilla. Existe una gran variación entre los límites de Atterberg de diferentes minerales de la arcilla, e incluso para un mismo mineral arcilloso, en función del catión de cambio. En gran parte, esta variación se debe a la diferencia en el tamaño de partícula y al grado de perfección del cristal. En general, cuanto más
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pequeñas son las partículas y más imperfecta su estructura, más plástico es el material. ARCILLAS INDUSTRIALES
Hoy en día las arcillas comerciales, aquellas que sirven como materia prima industrial figuran entre los recursos minerales más importantes, tanto por el volumen explotado como por el valor de la producción. Un 90 % de la producción se dedica, preferentemente a la fabricación de materiales de construcción y agregados. Sólo un 10 % se dedica a otras industrias (fabricación de papel, caucho, pinturas, absorbentes, decolorantes, arenas de moldeo, productos químicos y farmacéuticos, agricultura, etc.) En general al primer tipo (las que se utilizan en construcción) se las denomina arcillas cerámicas, arcillas para la construcción o arcillas comunes, son arcillas compuestas por dos o más minerales de la arcilla, generalmente ilita y esmectita, con importantes cantidades de otros minerales que no son filosilicatos (carbonatos, cuarzo...). Se utilizan para la fabricación de materiales de construcción y agregados. Al segundo tipo se las denomina arcillas especiales, son arcillas constituidas fundamentalmente por un sólo tipo de mineral de la arcilla, y sus propiedades dependen esencialmente de las características de ese mineral. Estas, a pesar de ser mucho menos importantes en volumen, suponen más del 70 % del valor de las arcillas comerciales, y son objeto de comercio internacional. Las arcillas especiales se pueden dividir en caolines y arcillas caoliníferas, y bentonitas, sepiolita y paligorskita: Caolines y Arcillas Caoliníferas:
Un caolín es una roca que contiene una cierta proporción de minerales del grupo de caolín, que puede ser económicamente extraída y concentrada. Se trata,
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generalmente, de una arcosa o arena caolínifera, granito o gneis caolinitizado, que es necesario procesar para enriquecer en minerales del grupo del caolín. La arcilla caolinífera es también un caolín en sentido amplio. Igualmente, se trata de una arcilla compuesta, fundamentalmente, de minerales del grupo del caolín. Esta no se procesa, se usa tal cual, e inicialmente los porcentajes en minerales del grupo del caolín son más altos que en el caolín (>50%). Cuando el caolín se usa para cerámica blanca recibe la denominación de China Clay. El caolín, tal como se obtiene en una explotación mineral (caolín bruto/todo uno) posee un contenido variable de caolinita y/o halloysita que, a veces no llega al 20 %, además suele tener cuarzo, feldespatos, micas, y, dependiendo de la roca madre otro tipo de minerales accesorios. Para concentrar el mineral es preciso someterlo a diferentes procesos que eleven el contenido en filosilicatos por encima del 80 %. El producto final, generalmente, recibe el nombre de caolín lavado. Como la caolinita tiene un tamaño de partícula muy pequeño, el lavado de las fracciones groseras conduce a un material con alto contenido en caolinita. Es evidente que cuanto mayor sea el contenido en fracciones finas del caolín bruto, mayor será también el porcentaje en caolinita. Un caolín comercial de alta calidad apenas deberá tener partículas superiores a las 20 mm, lo que garantizaría una riqueza en caolinita superior al 80%. Otro término utilizado para arcillas especiales, con un indudable significado industrial, es el de arcillas refractarias: Arcillas caoliníferas utilizadas para la fabricación de materiales cerámicos refractarios. Dentro de este grupo pueden incluirse las denominadas ball-clays, o arcillas caoliníferas plásticas y dispersables en agua, que son grises o negras pero que
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cuecen blanco. Son los materiales más interesantes para la fabricación de cerámica blanca de gran calidad. Las fire-clays o arcillas refractarias propiamente dichas, suelen tener óxidos de hierro, lo que hace que no cuezan blanco. Las flint-clays o arcillas caoliníferas duras, carentes de plasticidad se utilizan fundamentalmente para la fabricación de refractarios silicoaluminosos. Por último las Tonsteins (Underclays), son muy similares a las flint-clays, son niveles volcánicos. Otro Tipo de Arcillas Especiales
También pueden considerarse arcillas especiales las halloysitas, compuestas fundamentalmente por halloysita, mineral del grupo del caolín y las hectoritas, compuestas por hectorita (una esmectita), Las arcillas halloysiticas también pueden considerarse caolines, y las hectoritas un tipo de bentonitas. Ambos tipos son muy escasos en el mundo. Recientemente el termino arcilla especial ha sido restringido aún más por algunos autores y lo reservan para arcillas raras como la sepiolita o hectorita, poco abundantes, o como la paligorskita y bentonitas blancas. También lo usan para arcillas modificadas químicamente como las bentonitas activadas con tratamientos ácidos o organofílicas, quedando fuera de la denominación de arcillas especiales los caolines, bentonitas y, por supuesto las arcillas comunes. ESTRACCION Y PROCESADO
La explotación, normalmente, se efectúa a cielo abierto, utilizando medios mecánicos convencionales. La potencia del recubrimiento a remover varía de unos yacimientos a otros, pero generalmente, en la mayor parte de las explotaciones son inferiores a los 15 m.
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El procesado industrial del producto de cantera viene fijado por la naturaleza y uso a que se destine. Generalmente es sencillo, reduciéndose a un machaqueo previo y eliminación de la humedad y finalmente, a una molienda hasta los tamaños de partícula deseados. La temperatura de secado depende de la utilización posterior de la arcilla. APLICACIONES INDUSTRIALES
Desde el punto de vista industrial, la mayor parte de las aplicaciones no requieren especificaciones estrictas en cuanto a composición química (composición de las capas tetraédrica y octaédrica). Sin embargo, en el caso de las bentonitas si tiene importancia el quimismo del espacio interlaminar y sus propiedades fisico-químicas. Arcillas Comunes:
El principal uso de estos materiales arcillosos se da en el campo de la cerámica de construcción (tejas, ladrillos, tubos, baldosas....), alfarería tradicional, lozas, azulejos y gres. Uso al que se destinan desde los comienzos de la humanidad. Prácticamente todas las arcillas son aptas para estos usos, primando las consideraciones económicas. Son así mismo son utilizadas en la manufactura de cementos, como fuente de alúmina y sílice, y en la producción de áridos ligeros (arcillas expandidas). Caolin:
Se trata de un mineral muy importante desde el punto de vista industrial. Ha sido utilizando desde antiguo para numerosos usos. En el siglo XVI adquirió gran fama entre la nobleza la porcelana fabricada a base de pastas cerámicas ricas en caolín. Los principales usos a los que se destina en la actualidad son: Fabricación de papel Cerámicos y Refractarios
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Otros Usos Ingenieria Civil:
Las bentonitas se empezaron a utilizar para este fin en Europa en los años 50, y se desarrolló más tarde en Estados Unidos. Se utiliza para cementar fisuras y grietas de rocas, absorbiendo la humedad para impedir que esta produzca derrumbamiento de túneles o excavaciones, para impermeabilizar trincheras, estabilización de charcas, etc. Para que puedan ser utilizadas han de estar dotadas de un marcado carácter tixotrópico, viscosidad, alta capacidad de hinchamiento y buena dispersabilidad. Las bentonitas sódicas o cálcicas activadas son las que presentan las mejores propiedades para este uso. Los usos en este campo se pueden resumir en: Creación de membranas impermeables en torno a barreras en el suelo, o como soporte de excavaciones. Prevención de hundimientos. En las obras, se puede evitar el desplome de paredes lubricándolas con lechadas de bentonita. Protección de tuberías: como lubricante y rellenando grietas. En cementos: aumenta su capacidad de ser trabajado y su plasticidad. En túneles: Ayuda a la estabilización y soporte en la construcción de túneles. Actúa como lubricante (un 3-5 % de lodo de bentonita sódica mantenida a determinada presión soporta el frente del túnel). También es posible el transporte de los materiales excavados en el seno de fluidos benoníticos por arrastre. En tomas de tierra: Proporciona seguridad en el caso de rotura de cables enterrados.
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Transporte de sólidos en suspensión.
