Arcillas y sistemas de Arcilla-Agua

Profesor D.d. Van Reenen

INTRODUCCIÓN

El material suelto en la corteza de la tierra puede o no puede ser desgastado. La clasificación estándar para el tamaño del grano de los suelos es como sigue:

El término de arcilla no tiene ningún significado genético. Se usa para el material que es el producto del desgaste por la acción atmosférica o se ha depositado como sedimento, y está siempre presente en los suelos. Una propiedad de la arcilla es la plasticidad.

Por plasticidad se refiere a la propiedad de los materiales de deformarse bajo la aplicación de la presión, y la deformación obtenida que se conserva cuando se quita la presión.

El termino de material arcilloso es una expresión para cualquier material granuloso, natural, terroso fino que incluye a la arcilla. Los minerales de la arcilla son las fases cristalinas que dominan la fina (<0,002 mm) fracción (arcilla) de piedras y suelo.

El conocimiento de la mineralogía de arcillas, por lo tanto, es esencial si uno desea predecir o modificar las propiedades de la ingeniería de suelos. Ciertos materiales de la arcilla tales como smectita, que solamente puede estar presente en pequeñas cantidades en el suelo, podrán ejercer una enorme influencia en las propiedades del suelo.

MINERALOGÍA DE LA ARCILLA

Los minerales de la arcilla son principalmente hoja o filosilicatos, y como tales, son hidro silicatos de aluminio que contienen cierta cantidad de magnesio y de hierro y en algunos de ellos los metales álcalinos son componentes esenciales.

La estructura de estas hojas de silicato se pueden derivar por la combinación de una hoja de oxígeno de silicio (un tetraedro de la silicona, SiO-4, consistiendo en un silicio, Si+4), rodeadas por cuatro átomos de oxígeno, con una hoja octaédrica consistente de cationes por ejemplo Al+3, Mg+2, Fe+2, Fe+3 etc. rodeados por seis grupos del oxhidrilo (OH)

La estructura más simple que se puede derivar de esta manera es la del grupo de la caolinita de los minerales de la arcilla que se componen de un solo octaédro (O-hoja) combinado con una sola hoja tetraédrica (T-hoja) a través de la substitución de los átomos de oxígeno en la hoja tetraédrica para el oxhidrilo en la hoja octaédrica para formar una unidad estructural de la capa común

Las cargas dentro de esta unidad son equilibradas y el fórmula estructural es Al2(Si2O5)(OH)4.

Los principales tipos de capas (del smectite) grupo de el cual el montmorillonite es un miembro importante, consiste en una combinación de dos hojas tetraédricas (T-hojas) combinadas con una hoja octaédrica central (O-hoja). La parte inferior de estas capas es de tal naturaleza que existe un enlace muy débil entre ellas.

Esta característica es responsable de la propiedad más importante de la estructura del smectite (montmorillonite) en que el agua y otras moléculas polares pueden entrar entre la capa de la unidad, haciendo las rejillas ampliarse (las llamadas arcillas expansivas).

La fórmula teórica del smectite, excepto la substitución de la rejilla es Al2(Si4O10)(OH)2, nH2O (el nH2O es agua de la intercapa). Hay cationes cambiables (Ca+2, Na+, etc.) entre la capa del silicato (fig. 1f), del catión cambiable en una presión dada del agua-vapor.

Los cationes cambiables se absorben entre las capas de la unidad y alrededor de sus bordes para balancear las deficiencias de la carga debido a la substitución de Al+3 para Si+4 en la hoja tetraédrica, y Mg+2, Fe+2, etc. para Al+3 en las hojas octaédricas.

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO DE LOS IONES EN LOS MINERALES DE LA ARCILLA

Los minerales de la arcilla son altamente reactivos debido a su gran área superficial y porque comúnmente llevan una carga que se debe a la substitución iónica en las hojas tetraédricas y octaédricas, según lo descrito arriba.

La existencia de la carga en los minerales de la arcilla es la base para la capacidad de intercambio, lo cual aunado a la propiedad de expansión de la arcilla son dos características extremadamente importantes para el ingeniero civil. La capacidad de intercambio de iones de la arcilla es la característica de los minerales de la arcilla de absorber cationes y aniones (debido a las deficiencias de la carga de la intercapa) y de conservarlas en un estado cambiable, e.g. estos iones son cambiables por otros cationes y aniones mediante el tratamiento de los iones en una solución de agua. Estas reacciones del intercambio de iones no afectan generalmente la estructura del mineral de la arcilla.

El intercambio de ion es de gran importancia porque las características físicas (e.g. plasticidad) de los materiales arcillosos son con frecuencia dependientes de los iones cambiables llevados por la arcilla.

Las características plásticas de la arcilla, por ejemplo, son altamente dependientes de el cation cambiable Na+ o Ca+2. El ingeniero del suelo, por lo tanto, puede cambiar las características plásticas de muchos suelos para resolver sus necesidades, realizando una reacción del intercambio de ion.

SISTEMAS DE ARCILLA-AGUA

Las características de arcillas en temperaturas normales están en gran parte determinada por la interacción de los minerales de la arcilla con el agua. La distorsión de la cimentación del camino es resultado de la salida o de la pérdida de agua en el suelo, y la magnitud del cambio en volumen es determinada en gran parte por la presencia de específicos minerales de la arcilla.

Esta interacción de arcillas con agua depende solamente del agua que puede ser retenida por las arcillas a temperaturas relativamente bajas (menos de 100 - 150° C). La comprensión de la naturaleza de la baja temperatura del agua, es de gran importancia, puesto que determina en gran parte la plástica, el enlazamiento, la suspensión, la compactación y otras características de los minerales de la arcilla.

El agua que se pierde en las bajas temperaturas se puede clasificar en tres categorías generales (Fig. 2):

1.- El agua en el volumen de los poros y capilares (agua absorbida).
2.-  El agua en las superficies, y alrededor de los bordes de las partículas de los minerales de la arcilla así como en las superficies de los poros (agua fijada por absorción).
3.-  El agua de la intercapa (agua fijada por absorción) que causa la expansión del montmorillonite.

El agua absorbida (tipo 1) requiere muy poca energía para ser removida (e.g. el secarse en una temperatura ligeramente superior a la temperatura ambiente).

El agua fijada por absorción (los tipos 2 y 3) requiere energía definida para ser removida por completo. La partícula de la arcilla cuando está suspendida en agua, se podrá ser rodeada por una hidrosfera del agua fijada por adsorción, dentro de la cual estén los iones solubles de diversas cargas.

Alrededor de la última partícula de arcilla hay una capa de iones de carga negativa (debido al hecho de que el oxígeno forma la composición de los silicatos) y éstos son balanceados por un enjambre de los cationes que se difunden a través de la hidrosfera.

Éstos cationes "contrarios" proveen enlaces entre las partículas de la arcilla obteniendo con ello plasticidad. La plasticidad se asocia con la formación de películas de agua absorbida con cierto espesor alrededor de cada partícula, y es por lo tanto una función determinada por el contenido de agua.

La plasticidad máxima de la arcilla se obtiene en un contenido específico de agua que corresponda a una película de alta densidad alrededor de cada partícula de aproximadamente 2,000 Å.

Para la mayoría de las arcillas, esto estaría en el radio de acción de 15 - 25 por ciento del peso. Una tentativa de compactar tal material causará una reducción total en la graduación, lo cual dará lugar a un posterior aumento de la plasticidad. Esto es debido al desarrollo de la presión hidrostática dentro del material durante la compactación.

LA PREGUNTA ES, ¿cómo se puede remover permanentemente el agua absorbida?
LA RESPUESTA ES con el uso de CBR PLUS.