MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 1 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. MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 2 . 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. MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 3 . 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 MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 4 . 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 MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 5 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. MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 6 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 MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 7 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 MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 8 Moléculas de agua en presencia de cualquier ion metálico MICROFOTOGRAFIA DEL MINERAL MONTMORILONITA MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 9 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. MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 10 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. MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 11 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. MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez hoja - 12 CAPA DE AGUA ADSORBIDA
