Ensayo: La bentonita y usos en la construcción
:
Yambay Santamaría Beatriz Daniela
PROFESOR
:
PhD. MSc. ING. Irene T. Revelo B.
SEMESTRE
:
TERCERO
PARALELO
: PRIMERO
FECHA ENTREGA
: 22 de Mayo de 2014
ALUMNA
La Bentonita y uso en la construcción Bentonita
Formula Química: SiO3*H2O Compuesto: 92% de montmorillonita, 3% de cuarzo, 5% de feldespato. Humedad Máxima: 10%. Calor: 280 – 1500 ªF Fuerza de Compresión Seca: 96 psi. Punto de Fusión: entre 1600 ªC – 1750 ªC. Punto de Ebullición: sublima a 1750 ªC. Solubilidad: en agua fría y caliente es insoluble, en HF es soluble. PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS Color: Iridicente. Raya: Blanca. Transparencia: Vítreo, blanco
El propósito de este documento es dar una visión general de los usos de este material: bentonita. La bentonita es una clase especial de arcillas con muchos usos industriales y hogareños, a continuación se describen brevemente las características y principales aplicaciones solo en la construcción. A las arcillas se las puede definir petrográficamente como una roca sedimentaria la cual en la mayoría de los casos son de origen detrítico con un tamaño de 2μm. Las arcillas son constituyentes
principales de los suelos y sedimentos debido a que son productos finales de la meteorización de los silicatos que se hidrolizan en un medio exógeno. Entre las arcillas podemos encontrar a la bentonita que es del tipo de montmorillonita que tiene un grano muy fino y compuesto por minerales del grupo de las esmectitas. El nombre deriva de un yacimiento que se encuentra en Fort Benton, Estados Unidos. El tamaño de las partículas es probablemente inferior a un 0,03% al del grano medio de la caolinita. En este ensayo vamos a ver los distintos usos que se le da a las bentonitas en la construcción. Las aplicaciones industriales más importantes de este mineral se dan por sus propiedades físicoquímicas las cuales resultan especialmente de su tamaño considerablemente pequeño de partícula, menor a 2 µm, y 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. (fig. 1) La Mineralogía de la Bentonita: las esmectitas son filosilicatos con estructura 2:1, mostrando una gran diversidad composicional. Se trata, además, del único grupo de filosilicatos que aparece únicamente en las fragmentes finas (< 2 µm).Como en los demás filosilicatos, que su estructura se
fundamenta en el acopio de planos de iones oxígeno e hidroxilos. Los oxígenos se unen creando mantos de extensión infinita con coordinación tetraédrica. Entre las propiedades físico-químico de la Bentonita están:
Superficie específica.- Las bentonitas gozan de una elevada superficie específica (150-800 m2/g), significativo para ciertos usos industriales.
Capacidad de Intercambio catiónico.- Es la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede adsorber a un determinado pH.
Hidratación e hinchamiento. Son también propiedades únicas de las esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales.
Plasticidad.- La elevada plasticidad de las esmectitas es consecuencia, nuevamente, de su morfología laminar, extremadamente por su pequeño tamaño de partícula y alta capacidad de hinchamiento.
Viscosidad.- Las propiedades de viscosidad de las bentonitas pueden variar o ser uniformes, dentro de un mismo yacimiento.
Tixotropía.- Es el fenómeno que radica en la pérdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su posterior recobro con el tiempo.
Las bentonitas son llamadas también "arcillas activadas" por su afinidad en ciertas reacciones químicas causada por su excesiva carga negativa. Para fines industriales existen dos tipos de bentonitas: bentonita sódica y bentonita cálcica. La bentonita es una roca compuesta por minerales del grupo de las esmécticas y tiene criterios de clasificación muy rigurosos, basados en el comportamiento y propiedades físico-químicas. La clasificación industrial está enfocada a los tipos de bentonitas en función de su capacidad de hinchamiento de agua: bentonitas sódicas (altamente hinchables), bentonitas cálcicas (poco hinchables), bentonitas intermedias (moderadamente hinchables). La Bentonita sódica también conocida como "Wyoming Bentonita" o "Western Bentonita" (fig. 2) es una montmorillonita que se encuentra en forma natural y que contiene un alto nivel de iones de sodio. Su característica principal es la de absorber varias veces su peso en agua por lo que se vuelve útil en la preparación de lodos de perforación. Se hincha al mezclarse con el agua y se
convierte en un gran sellador, ya que evita la pérdida por infiltración en el suelo extendiendo su uso para evitar la pérdida de concreto cuando se hace el vaciado en un pozo. Bentonita cálcica también llamada "Southern, Texas o Mississippi Bentonita " (fig. 3) es una montmorillonita en la que el catión intercambiable dominante es el calcio. No exterioriza la capacidad de hinchamiento de la bentonita sódica, pero tiene propiedades absorbentes. A diferencia de la sódica, la bentonita cálcica absorbe poco agua y no genera la viscosidad requerida para un lodo de perforación, pero se puede usar en otras aplicaciones como intercambiador de iones, en algunos productos de limpieza, área alimenticia y cosméticos. El primer uso que vamos a ver es de la bentonita para arenas de moldeo ya que en la construcción se llega a utilizar moldes de metal para fundición de hormigón, aquí es donde intervienen las bentonita, en la fabricación de estos moldes. A pesar de tener tecnología en la cual se usa en lugar de bentonita otros productos el uso de esta en moldes para fundición aún se lo realiza. Se coloca el metal fundido dentro de moldes hechos a base de arena y arcilla, habitualmente bentonita, y esta mezcla toma la forma del molde, al enfriarse y sacarlo del molde tenemos la figura requerida. Las arenas de moldeo están compuestas por arena y arcilla, generalmente bentonita, que proporciona cohesión y plasticidad a la mezcla, facilitando su moldeo y dándole resistencia suficiente para conservar la forma adquirida después de retirar el molde y mientras se vierte el material fundido. Dependiendo del uso que se le vaya a dar al molde se podrá usar bentonita cálcica o sódica. Al ser más estable frente a altas temperatura se usa la bentonita sódica en fundiciones de mayor temperatura, suelen ser utilizadas en fundición de acero, hierro dúctil y maleable y en la gama de los metales no férreos en menor medida. En cambio la bentonita cálcica se la utiliza en fundición de metales no férreos ya que facilita la fabricación de moldes con detalles. El siguiente usa de la bentonita es para peletización el cual es un proceso que consiste en la aglomeración del mineral finamente molido o un concentrado por la adición de aglomerantes como el caso de la bentonita y determinada cantidad de agua para darle forma de partículas esféricas (Pellas verdes) las cuales son endurecidas por cocción en hornos rotatorios1. (fig. 4) 1http://html.rincondelvago.com/peletizacion.html
Después de saber en qué consiste la peletizacion diremos que la bentonita se la ha usado como aglutinante en la elaboración de pelets desde hace más de cincuenta años. A pesar de que no existen determinaciones estandarizadas para este uso se manipulan bentonitas sódicas, naturales o activadas, ya que son las únicas que forman buenos pelets con las resistencias en verde y en seco requeridas así como una resistencia mecánica elevada tras la calcinación. El tercer uso de la bentonita es para lodos de perforación en donde la bentonita sigue utilizándose en gran medida a pesar de los numerosos cambios que han tenido las formulaciones de los lodos de perforación. Mientras se perfora un pozo los fluidos o los lodos de perforación que circulan a través de este son bombeados. Dependiendo de las exigencias que se necesiten la composición se ajusta de acuerdo a la profundidad de la perforación y los otros materiales encontrados. Las funciones que debe cumplir el lodo de perforación son: Control de presiones de formación y estabilización de las paredes, Enfriamiento de la herramienta de perforación, Sellamiento o formación de un recubrimiento delgado e impermeable contra la pared del pozo que no dejar filtrar agua en la formación geológica, Permitir la adición de agentes densificantes, Producción de una presión hidrostática suficiente para estabilizar la pared y conservar en la formación geológica sus fluidos, Remoción de escombros del fondo del pozo y transporte de los mismos a la superficie, Soporte de parte del peso del taladro, Transmisión de potencia hidráulica a la broca Otras de las funciones que debe cumplir el lodo de perforacion son: Extracción del ripio y limpieza del fondo del pozo, Enfriamiento de la herramienta de perforación (Broca), Control de presiones de formación y estabilización de las paredes, Mantenimiento en suspensión del ripio, Transmisión de potencia hidráulica al tricono, Soportar parte del peso de la sarta de perforación y Permitir la adición de agentes densificantes. Las bentonitas de Wyoming son las más utilizadas para la preparación de lodos de perforación. Una gran variedad de minerales industriales y productos químicos es utilizada en la formación de lodos de perforación, pero siempre, el ingrediente más importante es la Bentonita y su utilización se basa en el incremento de la viscosidad del lodo, que garantiza una efectiva extracción a la superficie de los escombros.
Otro de los usos de la bentonita es como absorbente ya que esta tiene una elevada capacidad tanto de absorción como de adsorción. Debido a esto, este material tiene gran importancia en los procesos industriales de purificación de aguas que contengan diferentes tipos de aceites industriales y contaminantes orgánicos. La bentonita es el aditivo utilizado más frecuentemente en la lechada de cemento para reducir la densidad de esta, se coloca 5,3 litros por cada kilogramo de bentonita es decir el 530% de agua de su propio peso, se puede dosificar hasta un 4% por peso de cemento sin que perjudique al cemento fraguado. El incremento del rendimiento por adición de bentonita se puede observar en la figura 5. En cementos la bentonita aumenta la capacidad de ser trabajado y su plasticidad. La adición de pequeñas cantidades de bentonita (hasta el 5% en volumen) mejora la estabilidad de la lechada (débil decantación), aunque retarda el tiempo de fraguado y disminuye la resistencia final. Se crea membranas impermeables de bentonita, las cuales aíslan inferior y superiormente rellenos sanitarios y rellenos de seguridad. Manta de bentonita de sodio bentoshield 5000 (Fig.5) es una membrana autoregenerativa de alta calidad formada por dos geotextiles entrelazados entre si de gran resistencia y 5 kg/m2 de gránulos de bentonita de sodio natural. Aplicaciones: Losas de Cimentación, Muros de Sótano, Depósitos, Túneles, estructuras enterradas y en Canales. Bentonita tipo bento gel (impermeabilizante) es una Montmorillonita de Sodio. Bentonita sódica natural de alta velocidad de hidratación, elevada capacidad de retención de agua y constante de permeabilidad muy baja. Un ejemplo de Impermeabilización es el siguiente: unidad de obra nic012.- Impermeabilización bajo losa de cimentación, con manta de bentonita de sodio. Formación de impermeabilización bajo losa de cimentación, mediante manta de bentonita de sodio, Bentofix BFG 5000 "BASF Construction Chemical", de 7 mm de espesor, formada por un geotextil no tejido de polipropileno, de 300 g/m², un geotextil tejido de polipropileno, de 200 g/m², y 5 kg/m² de gránulos de bentonita de sodio natural, dispuestos entre los dos geotextiles, fijada al soporte mediante clavos de acero, para evitar su desplazamiento. Incluso p/p de cortes, solapes entre mantas y bentonita granular, para relleno perimetral y en encuentros de elementos pasantes. (fig. 6)
Han utilizado la bentonita para sellar los depósitos de residuos tóxicos y peligrosos, hasta radiactivos. Recientemente ha surgido una nueva tendencia en el diseño de barreras de impermeabilización que se basa en la fabricación de complejos bentonitas-geosintéticos (geomembranas y geotextiles). Radica en la colocación de una barrera de arcilla compactada entre dos capas, una de geotextil y otra de geomembrana (plásticos manufacturados, como polietileno de alta densidad o polipropileno, entre otros). La geomembrana es impermeable, mientras que el geotextil es permeable, de modo que permite a la bentonita hinchar, produciendo la barrera de sellado compactada. Esta utilidad de las bentonitas como material de sellado se basa fundamentalmente en algunas de sus propiedades características, como son: su elevada superficie específica, gran capacidad de hinchamiento, buena plasticidad y lubricidad, alta impermeabilidad, baja compresibilidad. Las bentonitas más utilizadas para ese fin son las sódicas, por tener mayor capacidad de hinchamiento. Se han venido utilizando en mezclas de suelos en torno a los vertederos para disminuir la permeabilidad de los mismos; de esta manera se impide el escape de gases o lixiviados generados en el depósito. Se utilizan bentonitas sódicas como material impermeabilizante y contenedor en los siguientes campos: * Como contenedores de aguas frescas: Estanques y lagos ornamentales, campos de golf, canales... * Como contenedores de aguas residuales: Efluentes industriales (balsas). * En suelos contaminados: Cubiertas, barreras verticales. * En el sellado de pozos de aguas subterráneas contaminadas. * En depósitos de residuos radiactivos: Repositorios subterráneos, sellado de fracturas en granitos, etc. En la industria de la construcción de puentes la bentonita es utilizada sobre todo para ademar o estabilizar las perforaciones donde se ubicaran los pilotes de cimentación de la estructura. Se utiliza la bentonita en pilotajes in situ incluyen un periodo de excavación del terreno. Cuando el suelo es muy blando y es imposible conservar las paredes del pozo sin entibación, se utiliza el lodo
bentonítico para evadir o reducir los derrumbes del terreno, beneficiando la ya mencionada propiedad tixotrópica de esta solución acuosa. El proceso de pilotaje con lodo bentónico: Primero la excavación estabilizando la perforación con lodos. Se procede al cambio de lodo contaminado o limpieza del fondo. Luego se realiza la colocación de armadura y por último se realiza el hormigonado del pilote y recuperación del lodo y tenemos un pilote terminado. (fig.7) Otro de las aplicaciones es en túneles, la bentonita ayuda a la estabilización y sustentación en la construcción de túneles. Actúa como lubricante. El frente del túnel es soportado por un 3-5% de lodo bentonita sódica que se mantiene a una presión determinada. También es posible el transporte por arrastre de los materiales excavados en el seno de fluidos bentoníticos. El uso de la bentonita en tomas de tierra se basa en 2 propiedades, su baja resistencia de 2, 5 – 3, 6 Ω/ m y por su al ta capacidad de hincharse que puede llegar en valor medio a 20 litros de mezcla por
litro de bentonita sódica. También suministra seguridad en el caso de rotura de cables enterrados. Tanto si efectuamos el relleno de una perforación superficial como en profundidad la forma de preparar la bentonita es la misma: Primero se toma un recipiente (por ejemplo un cubo) y se llena con bentonita hasta un determinado volumen. Esta bentonita se echa en un recipiente mayor (al menos 10 veces mayor y luego añadiremos 6 ó 7 veces ese mismo volumen de agua), segundo agitamos y mezclamos hasta generar una papilla homogénea sin que quede en el fondo bentonita sin humedecer y que sea lo suficientemente fluido aun para poder añadirla desde este recipiente al pozo, Tercero por la boca del pozo y con el electrodo colocado en el centro se va añadiendo la bentonita necesaria hasta llenar completamente el pozo, y por una vez que hemos rellenado hasta la cabeza del electrodo ya se puede efectuar la medición de la resistencia de tierra 2. Lubricando las paredes con lechadas de Bentonita se puede prevenir el hundimiento y desplome en obras. Protección de tuberías: como lubricante y rellenando grietas.
2 http://www.tomasdetierra.com/Archivos/informe%20tecnico%20benonita.pdf
En conclusión tenemos que la bentonita es una roca de origen volcánico, es una roca sedimentaria la cual tiene la propiedad de hincharse al absorber líquido. Podemos usar bentonitas cálcicas, sódicas o entre las dos dependiendo del uso, condiciones y circunstancias del trabajo que vamos a requerir. Algunas de las utilidades en la construcción que tiene este material y la principal se da en la ingeniería petrolera se la usa en lodos para perforación, la razón para usarla es porque incrementa la viscosidad del lodo lo que permite transportar los detritos de roca hacia la superficie, En la ingeniería civil se usa para la construcción de paredes de dilatación, impermeabilización de lagunas y diques de irrigación, lechadas y para la realización de túneles también para la construcción en excavaciones, los barros de bentonita son usados para proveer soportes de paredes no mecánico. Se pueden utilizar para cementar fisuras y grietas de rocas, absorbiendo la humedad que impide que ésta produzca derrumbamientos de túneles o de las excavaciones, impermeabilizar las trincheras, estabiliza las charcas, etc. También en arenas de moldeo, en peletización, se usa a la bentonita como absorbente, y para Incrementa las capacidades y plasticidad del cemento para ser trabajado. Gran Herramienta de estabilización y soporte en la construcción de túneles. Actúa como lubricante y rellenado de grietas en tuberías. Crea membranas impermeables en torno a barreras en el suelo. Ayudar a evitar los desplomes de paredes lubricándolas con lechadas de bentonita. Proporciona seguridad en el caso de rotura de cables enterrados en tomas de tierra. En la metalurgia tenemos el primer uso que vimos, la fabricación de moldes de arena. Así vemos que el estudio de la bentonita nos podría ayudar a encontrar nuevos usos para esta, teniendo en cuanta las propiedades que tiene.
Anexos
Fig.2 Bentonita sódica Fig.1 Bentonita
Fig.3 Bentonita cálcica. Fig.4 Bentonita en Pelets.
Figura 5. Tabla de resistencia a la compresión.
Figura 7. Proceso de pilotaje con lodo bentonitico.
Figura 6. Permeabilización bajo losa de cimentación.
Obturación de fugas Pozo a tierra
Proceso de extracción de la bentonita
Etapas del moldeo principal en arena
Proceso de fundición del metal
Sistemas de sellado.- Chapa metálica de zinc plateado cubierta con bentonita y una capa elástica bituminosa.
Construcción de Pilas Excavadas: Método con Lodo Natural o Bentonitico.
Impermeabilzantes de bentonita para la impermeabilización ante-hormigonado de estructuras subterráneas en presencia de nivel freático
Bibliografía:
http://www.oni.escuelas.edu.ar/2002/NEUQUEN/zapala/Paginas/Zapala/Minerale/bentoni.htm http://www.bradanovic.cl/fortuna/bentonita.pdf http://www.mineracholino.com.ar/producto/bentonita-tipo-bento-gel-impermeabilizante?ap=24 http://www.edingaps.com/productos/manta-de-bentonita-de-sodio-bentoshield-5000 http://www.slideshare.net/HansLarizbeascoa/bentonitas-14977571 http://es.wikipedia.org/wiki/Bentonita http://www.generadordeprecios.info/obra-nueva/NIC/NIC012_0_3_0_1_0.html
http://www.tensoquimicos.com/TensoPerforacion/pdf_boletines/Bentonita_Caclica_vs_Sodica.pdf http://www.quiminet.com/articulos/usos-y-aplicaciones-de-las-bentonitas-7708.htm http://www.slideshare.net/rafadavimendez/pilotes-con-bentonita