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FISICO QUIMICA DE LAS ARCILLAS

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MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez
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FISICO QUIMICA DE LAS ARCILLAS.
Minerales
Definición. Un mineral es una sustancia inorgánica y natural que tiene una
estructura interna característica determinada por un cierto arreglo
específico de sus átomos e iones. Su composición química y sus
propiedades físicas son fijas o varían dentro limites definidos.
Factor Determinante. La estructura atómico molecular del mineral es el
factor más importante para condicionar las propiedades físicas del mineral,
que influyen de manera importante en las propiedades de las arcillas.
Mineralogía de las Arcillas.
Se derivan las arcillas de la
descomposición química de numerosos minerales (principalmente
silicatos, feldespatos y micas) que se
encuentran en las rocas
ígneas y metamórficas. La estructura cristalina de la arcilla es diferente
de la estructura cristalina la roca madre. El comportamiento mecánico e
hidráulico de las arcillas está determinado por su estructura en general, y
su constitución mineralógica en particular (a diferencia de los suelos
gruesos donde la mineralogía es menos importante que su arreglo o
acomodo de sus particulas).
Composición y Estructuras Cristalinas.
Las arcillas están
básicamente constituidas por silicatos de aluminio hidratados, y en algunas
ocasiones, silicatos de magnesio, hierro u otros metales, también
hidratados. Estos minerales tienen, casi siempre, una estructura cristalina
definida, cuyos átomos se disponen en retículas regulares que se conectan
para formar láminas reticulares.
Estructura Reticular Fundamental. Estudios demuestran que hay dos
tipos de estructuras reticulares fundamentales, la estructura silícica y la
alumínica. Se puede llamar a la estructura silícica, la lámina silícica, y se
puede llamar a la estructura alumínica, la lámina alumínica.
Estructura Laminar Silícica. La estructura reticulolaminar silícica
consiste de una serie de retículas silícicas, cada uno compuesto de un
átomo de silicio en el centro, rodeado por cuatro átomos de oxígeno,
También puede llamarse la estructura reticulolaminar tetraédrica o
simplemente la lámina tetraédrica.
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ESTRUCTURA TETRAÉDRICA
BLOQUE EQUIVALENTE
OXIGENO
SILICIO
Arreglo Reticulolaminar. Seis de estas retículas tetraédricas pueden
formarse, en un grupo hexagonal, donde cada uno de los átomos de
oxígeno en la base de cada tetraedro se comparten con la retícula
tetraédrica vecina. En cualesquiera dos retículas tetraédricas adyacentes
de un grupo hexagonal, pueden formarse cuatro retículas tetraédricas más
de la misma manera, formándose otro grupo hexagonal que comparte las
dos retículas tetraédricas adyacentes con el primer grupo. Pueden
formarse más retículas tetraédricas, de la misma manera, en los cinco
demás lados del primer grupo hexagonal, formándose cinco grupos
hexagonales más que comparte un lado común con el primer hexágono.
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Estructura Reticulolaminar Alumínicas.
La estructura reticulolaminar
alumínica consiste de retículas octaédricas, cada uno compuesto de un átomo de
aluminio en el centro, rodeado por seis radicales de oxigeno.
También se llama la estructura reticulolaminar octaédrica o simplemente la
lámina octaédrica.
Arreglo Reticulolaminar. Pueden agruparse retículas octaédricas lado a lado
formándose una lámina donde cada radical de oxhidrilo está compartida por tres
retículas octaédricas vecinas, y dos radicales de oxhidrilo adyacentes en un lado
de una retícula octaédrica están compartidos con la retícula octaédrica
adyacente en el mismo lado. El espesor de la lámina es igual a la altura de la
retícula octaédrica, pero puede crecer en las dos direcciones laterales añadiendo
más retículas octaédricas, alcanzando extensiones muy grandes
ESTRUCTURA OCTAÉDRICA
BLOQUE EQUIVALENTE
OXIGENO
ALUMINIO
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Grupos Fundamentales de Minerales de Arcilla.
De acuerdo con su estructura reticular de laminas, los minerales de arcilla se
reunen en tres grupos fundamentes: el grupo de caolinitas, el grupo de ilitas, y el
grupo de montmorilonitas.
Grupo de las Caolinitas. El grupo de las caolinitas (Al2O3 2 SiO2 H2O) está
derivado del intemperismo de feldespato ortoclasa (potásico), ingrediente
esencial del granito. Están formadas por una serie de retículos de dos
láminas, una lámina silícica y una lámina alumínica (gibsita) fuertemente
enlazada. El espesor del retículo de dos láminas es 0.7 nm (nm = 10-9 m).
Se sigue superponiéndose retículos de dos láminas, formándose una
partícula de unas 100 láminas.
Estabilidad de la Partícula. El enlace entre los retículos de dos láminas en la pila,
consiste de enlaces con hidrogeno, y es lo suficientemente firme para no
permitir la penetración de moléculas de agua entre los retículos, en
consecuencia, las arcillas caoliníticas están relativamente estables en la
presencia de agua.
Ancho y Espesor, y Superficie Específica. La partícula formada así tiene una
relación de ancho a espesor de aproximadamente 5 a 10, y una
superficie específica de 5 a 15 m2/g. La superficie específica es la
suma del área superficial de todas las partículas en un gramo del
mineral.
Doble capa de agua
con iones de Mg, K y Ca
Unidad basica
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MICROFOTOGRAFIA DEL MINERAL CAOLINITA
Grupo de las Ilitas. El grupo de las ilitas ((OH)4 Ky(Si8-yAly) (Al4Fe4Mg4Mg6)
O20 con y = 1.5 típicamente) está derivado de la descomposición de las
micas en condiciones marinas y también de la descomposición del
feldespato ortoclasa (potásico).
Su estructura fundamental consiste en una distribución de retículos de tres
láminas, superpuestos en sí, donde cationes de K+ proporcionan el enlace
entre los retículos. La lámina octaédrica suele ser de gibsita. Hay
sustituciones isómeras (donde hay sustitución de un elemento por otros,
sin cambiar la forma cristalina) de aluminio por silicio en láminas
tetraédricas que resulta en una carga neta negativa que está balanceada
por los cationes de K+ compartidos entre los retículos. La Ilita es la mineral
de arcilla más común en depósitos de arcillas firmes, esquistos, tanto como
depósitos de arcillas blandas marinas y lacustres de la época geológica
actual, después el último período glacial.
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Estabilidad de la Partícula. El enlace de potasio entre los retículos de
tres láminas en la ilita es más débil que en el enlace entre los retículos
de dos láminas en la caolinita. El resultado es que partículas de ilita son
más pequeñas y delgadas, porque no resisten las fuerzas de su
ambiente para sostener un tamaño más grande. Tienen un espesor de
10 a 30 nm.
Ancho y Espesor, y Superficie Específica. La partícula formada así
tiene una relación de ancho a espesor de aproximadamente 15 a 30,
y una superficie específica de 80 a 100 m2/g
MICROFOTOGRAFIA DEL MINERAL ILITA
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Grupo de las Montmorilonitas. El grupo de las montmorilonitas ((OH)4
Si8Al4O20 n H2O) suele ser el resultado de la degradación de ilita, y también
se forma por la descomposición química de feldespato plagioclasa (de
sodio o calcio) de depósitos de cenizas volcánicas.
Las bentonitas son arcillas del grupo montmorilonítico, originadas por la
descomposición química de cenizas volcánicas.
Su estructura
fundamental consiste en distribuciones de retículos de tres láminas, cuya
lámina octaédrica es casi siempre gibsita, pero con sustituciones isómeras
de átomos de Mg2+ en lugar de los átomos de Al3+, que resulta en una carga
neta negativa en las retículas, la cual se balancea con cationes en solución
tales como H+, Na+, u otros metales localizados en el espacio entre cada
retículo. La montmorilonita es el mineral dominante en algunas arcillas y
esquistos, y algunos suelos residuos derivados de cenizas volcánicas.
Estabilidad de la Partícula. Los enlaces formados por los cationes
entre las láminas silícicas de los retículos de tres láminas adyacentes
son débiles, suficientemente débiles que permiten la introducción de
moléculas de agua entre los retículos. La introducción de agua resulta
en una separación de los retículos laminares, produciendo una
separación de 1 nm, hasta más de 3 nm donde los cationes son de sodio
en las concentraciones bajas.
Esta incremento de la separación entre los retículos de tres láminas
adyacentes produce un incremento en el volumen del cristal, que
macrofísicamente resulta, en una expansión del volumen de la
partícula y por lo tanto del suelo, en consecuencia, las arcillas
montmoriloníticas, en la presencia de agua, presentarán fuertes
tendencias hacia la inestabilidad, y las partículas de montmorilonita son
aún más pequeñas y delgadas que las de ilita.
Las partículas que resultan son películas delgadas con un espesor
de 1 nm a 10 nm, En la montmorilonita de calcio, donde los cationes son
de calcio, la atracción electrostática mayor de los cationes de calcio
produce enlaces más fuertes que prohibe que la separación de las
retículas laminares sea mayor de 1 nm.
Ancho a Espesor y Superficie Específica. La partícula tiene una relación
de ancho a espesor mayor de 100
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Moléculas de agua en presencia
de cualquier ion metálico
MICROFOTOGRAFIA DEL MINERAL MONTMORILONITA
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Propiedades Físico Químicas de las Arcillas
Superficie Específica. La superficie específica es la relación de la suma
del área superficial de las partículas en una masa de suelo divido por la
misma masa, con unidades típicas de metros cuadrados por gramos masa
de suelo (m2/g). Por facilidad, se puede calcular la superficie específica para
formas regulares, tales como cubos o esferas, comenzando por calcular el
área y el volumen.
Areas Superficiales y Masas de Cubos y Esferas. El área superficial, A,
de partículas cúbicas de dimensión, d, es A = 6d2, y de partículas esféricas
de diámetro d, es A = d2.
El volumen, V, de partículas cúbicas de dimensión, d, es V = d3, y de
partículas esféricas de diámetro d, es V = d3/6. Si tomamos como la
densidad de los sólidos (en términos de masa), la masa es M = d3, para
partículas cúbicas, y M = d3/6, para partículas esféricas.
Superficie Específica de Cubos y Esferas. La relación del área superficial
divido por la masa es 6d2/(d3), para partículas cúbicas y es d2/(d3/6), para
partículas esféricas, que en ambos casos se reduce a 6/d. Es comun presentar
el tamaño de las partículas en milímetros (mm). Donde ss es el peso específico
relativo de suelo, se puede escribir = ss0, donde 0 es la densidad, en términos de
masa, de agua normalizada con valor de 1 g/cm3 o 106 g/m3, entonces, la
superficie específica es 0.006/(ssd), en m2/g, donde d está en mm
Fuerzas de Superficie y Gravedad. Las arcillas son partículas muy finas
donde las fuerzas de gravitación ejercen muy poca o nula influencia, y las
fuerzas que actúan en las superficies de las partículas son mucho más
importantes debidos a las grandes relaciones de área y masa de las
partículas. Se estima que las fuerzas en las superficies de las partículas
predominan sobre otras fuerzas para tamaños de partículas de dos micras
(2 m = 0.002 mm) y más pequeños. Por eso, se ha hecho el tamaño de 2
como la división entre partículas de tamaño de limo y de partículas tamaño
arcilla.
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Naturaleza Eléctrica de Fuerzas de Superficie.
Estudios han
demostrado que la superficie de las partículas de arcilla posee una carga
eléctrica negativa. Las aristas de las partículas pueden poseer una carga
positiva o negativa según el ambiente. (Es común la positiva). La
intensidad de la carga depende de la estructuración y composición de la
arcilla.
Origen de la Carga Eléctrica. Las cargas negativas en la superficie se deben,
en parte, a los átomos de oxígeno o radicales de oxhidrilo localizados
en la superficie externa de las retículas laminares de que el cristal está
compuesto. Como una partícula cargada se acerca a la superficie, se
ve un campo eléctrico negativo neto saliendo hacia el exterior la
superficie del cristal porque está más cerca a los átomos de oxígeno o
los radicales de oxhidrilo negativamente cargados, localizados en la
superficie de la retícula laminar, que a los metales positivamente
cargados dentro de la lámina. También, se debe a la sustitución
isómera, donde los átomos de Si+4 o Al+3, en las retículas tetraédrica u
octaédrica, se reemplazan por átomos de valencia menor resultando en
una carga negativa neta de la partícula.
Agua y Cationes Adsorbidas. Debido a este campo eléctrico negativo, la
superficie de partícula atrae a los iones positivos del agua (H+) y a
cationes de diferentes elementos químicos que están en solución, esto
conduce al hecho de que cada partícula individual de arcilla se ve
rodeada de una capa o película de moléculas de agua orientadas en
forma definida y ligadas a su estructura (agua adsorbida).
Bipolaridad de Agua. Las moléculas de agua, en que los dos átomos de
hidrogeno de la molécula tienen un ángulo de 105 entre sí, son
polarizadas. Esto quiere decir que, a pesar de que las cargas están
balanceada, 2H+ con O2-, el centro de la carga positiva no coincide con el
centro de la carga negativa. Entonces, en la molécula de agua se forman
pequeños dipolos permanentes con carga positiva en el lado de los
hidrógenos y negativa en el lado opuesto.
Interacción de Agua con la Superficie. El lado de polo positivo de las
moléculas de agua se atrae a la superficie de las partículas de arcilla. Al
ligarse una molécula de agua por su polo positiva, a la superficie
negativamente cargada de la partícula, el polo negativo de la molécula
de agua puede atraer a otros cationes positivos o moléculas de agua
bipolar.
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Interacción de Cationes con Agua. De manera similar, los cationes positivos
de metales atraen el polo negativo de agua a su alrededor,el volumen de
agua adsorbido por cada catión.
Atmósfera de Agua y Cationes. Se puede decir que las capas o películas de
moléculas de agua, y cationes con su propio agua absorbido, las cuales
tienen una atracción para la superficie de la partícula, constituyen una
atmósfera en torno a ella. Cuando la partícula de arcilla atrae a los
cationes, se ve reforzada la atmósfera de agua y cationes ligadas a la
partícula a unirse.
La Doble Capa Difusa. El espesor de la película de agua adsorbida por el cristal
del suelo es función de la naturaleza del mineral, y también del tipo de
cationes atraídos. En general, la atracción eléctrica del cristal
disminuye rápidamente con la distancia de la superficie, de manera que
la concentración en la atmósfera de agua y cationes del cristal
disminuye. Cuando se habla de una atmósfera de agua y cationes
alrededor de una partícula de arcilla, está decidiendo que esta agua y
cationes tienen una atracción definitiva hacia la superficie de la
partícula. Pero en una cierta distancia suficientemente lejos de la
superficie, el agua y cationes no se sienten una atracción más fuerte
hacia la superficie de una partícula de arcilla dada, que en cualquiera
otra dirección. Se refiere a esta agua como el agua libre, y a la
atmósfera de agua y cationes como la doble capa difusa, los estudios
demuestran que en la zona más cerca de la superficie de la partícula, el
agua está sólida, la capa sólida, y en el restante de la atmósfera de
agua y cationes, el agua es más viscosa que el agua libre, y se llama la
capa viscosa.
Capa Sólida. Estudios de la magnitud de presiones de adsorción en la película
de agua más cerca de la superficie de una partícula de arcilla indican
presiones muy altas. Se ha reportado 20,000 kg/cm2 Estudios de agua
bajo grandes presiones han indicado que el punto de congelamiento del
agua se incrementa con el aumento de presión. Por ejemplo, en una
presión de 10,000 kg/cm2, el punto de congelamiento del agua es a 30
grados centígrados. A temperaturas normales en los suelos, el agua más
cerca al cristal tendrá las propiedades similares de agua sólida. Por eso,
se llama a esta parte de la atmósfera de agua y cationes alrededor de la
partícula, la capa sólida.
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CAPA DE AGUA ADSORBIDA
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