LIMITE DE CONSISTENCIA DEL SUELO FINOLa condicin fsica de la
mezcla de suelo y agua est denotada por la Consistencia. La
Consistencia se define como la resistencia al flujo, que est
relacionado con la fuerza de atraccin entre partculas y es ms fcil
de sentir fsicamente que de describir cuantitativamente (Yong &
Warketin, 1966) (en Soil Mechanics Basic Concepts and Engineering
Application. Aysen, A. 2002).
En estas condiciones podemos definir los lmites de Atterberg
como:
Lmite Lquido: El Lmite Lquido LL es el contenido de humedad por
encima del cual la mezcla suelo-agua pasa a un estado lquido. En
este estado la mezcla se comporta como un fluido viscoso y fluye
bajo su propio peso. Por debajo de ste contenido de humedad la
mezcla se encuentra en estado plstico. Cualquier cambio en el
contenido de humedad a cualquier lado de LL produce un cambio en el
volumen del suelo.Lmite Plstico: El Lmite Plstico LP es el
contenido de humedad por encima del cual la mezcla suelo-agua pasa
a un estado plstico. En este estado la mezcla se deforma a
cualquier forma bajo ligera presin. Por debajo de ste contenido de
humedad la mezcla est en un estado semi slido. Cualquier cambio en
el contenido de humedad a cualquier lado de LP produce un cambio en
el volumen del suelo.Lmite de Contraccin: El Lmite de Contraccin es
el contenido de de humedad por encima del cual la mezcla suelo-agua
pasa a un estado semi slido. Por debajo de ste contenido de humedad
la mezcla se encuentra en estado slido. Cualquier incremento en el
contenido de humedad est asociado con un cambio de volumen pero una
reduccin en el contenido de humedad no produce un cambio de
volumen. Este es el mnimo contenido de humedad que provoca
saturacin completa del a mezcla suelo-agua. El volumen permanece
constante mientras la mezcla pasa del estado seco a LC movindose
desde saturacin 0 % a 100 %. En el lado hmedo de LC el volumen de
la mezcla se incrementa linealmente con el contenido de
humedad.
Los Lmites de Atterberg son mundialmente utilizados en la
clasificacin de suelos finos. Encontrar relaciones entre estos
lmites y las propiedades del suelo ha sido materia de investigacin
durante muchos aos. Terzaghi & Peck (1967) sugirieron la
proporcin directa entre LL y la compresibilidad del suelo. Sherard
(1953) report un comportamiento similar mientras investigaba los
efectos de las propiedades ndice en el comportamiento de presas de
tierra. Whyte (1982) sugiri un mtodo basado en la extrusin para la
determinacin de LP y encontr que la relacin de resistencia en LP
comparada con la relacin de resistencia en LL es de aproximadamente
70. Segn Skempton & Northy (1953) sta relacin es de
aproximadamente 100. Una coleccin comprensiva de ecuaciones
relacionando los ndices de compresibilidad y la plasticidad del
suelo fue reportada por Bowles (1996). Estas relaciones pueden ser
tiles en la orientacin de las primeras etapas de un estudio de
factibilidad previas a la ejecucin de la exploracin del suelo y
ensayos de su resistencia.LL para minerales de arcilla puede varias
desde 50 para la caolinita a 60 para la ilita y hasta 700 para la
Montmorillonita. La caolinita e ilita exhiben LP medio de 25 a 35,
mientras la Montmorillonita puede tener LP de 100 (en Soil
Mechanics Basic Concepts and Engineering Application. Aysen, A.
2002).LP es altamente influenciado por el contenido orgnico del
suelo ya que elevan su valor sin aumentar LL, por esto suelos con
alto contenido orgnico presentan IP bajo y LL elevado.LL y LP
dependen de la cantidad y tipo de arcilla en el suelo. IP depende
solo de la cantidad de arcilla (de all la relacin de Skempton para
definir la actividad de la arcilla, basada en IP).
INDICES OBTENIDOS A PARTIR DE LOS LIMITES DE ATTERBERGLos
parmetros de correlacin ms tiles, obtenidos a partir de la
determinacin de los lmites de Atterberg son : el ndice de
plasticidad IP, el ndice de liquidez IL, el ndice de contraccin IC
y el grado de actividad de las arcillas Ac, los cuales se definen
en la tabla a continuacin :
INDICE DE PLASTICIDAD IPAtterberg defini el ndice de plasticidad
para describir el rango de contenido de humedad natural sobre el
cual el suelo era plstico. El ndice de plasticidad IP, es por tanto
numricamente igual a la diferencia entre el lmite lquido y el lmite
plstico:IP = LL - LPEl ndice de plasticidad es til en la
clasificacin ingenieril de suelos de grano fino y muchas
propiedades de ingeniera se han correlacionado de forma emprica con
este. Un suelo con un IP = 2 tiene una gama muy estrecha de
plasticidad, por el contrario, un suelo con un IP = 30 tiene
caractersticas plsticas muy elevadas.Con frecuencia, con fines de
construccin se especifican suelos con un determinado IP plasticidad
que se encuentra por debajo de cierta cantidad dada. Puesto que los
suelos que conforman la subrasante para carreteras y autopistas se
mejorarn necesariamente en alguna ocasin, los departamentos de
caminos casi siempre requieren que la base de pavimentacin de las
carreteras tenga un IP < 4.En general, los suelos arcillosos,
resbaladizos, que pueden re moldearse con facilidad y laminarse en
tiras largas, tienen un IP elevado y son materiales inadecuados
como base de carreteras.A menudo se utiliza cemento para agregar
resistencia al suelo in situ. Por lo comn, la cantidad utilizada
est entre 5 - 10 % de la tierra utilizada, teniendo resistencias
entre 300 - 800 psi.A menudo se emplea cal para mejorar las
caractersticas de los suelos arcillosos. Por lo comn, estos ltimos
son pobres y su subrasante es inestable para soportar la base de
pavimentacin, poseen un IP elevado. La adicin de cal reduce el IP y
se puede duplicar la resistencia de la arcilla compactada. La cal
tiende a desecar el suelo, cuando la arcilla est demasiado mojada
para poder compactarla.
En la siguiente tabla se presenta la calificacin del rango de
plasticidad del suelo de acuerdo con el valor de IP.
Bajos valores de IP se son indeseables porque se considera que
el suelo cambia rpidamente (en trminos de agua adicional) de un
comportamiento semi slido a uno lquido. Para actividades de
construccin la condicin real deseada es un IP elevado y bajo LL.
Pero deben tomarse precauciones porque suelos con elevado IP pueden
ser potencialmente expansivos.Las arcillas varan mucho en sus
caractersticas fsicas y qumicas. Debido a las partculas
extremadamente finas, es difcil investigar a profundidad sus
propiedades, pero algunas de estas propiedades se pueden expresar
en trminos de plasticidad utilizando pruebas estndar.Tanto LL como
IP se ven afectados por la cantidad de arcilla, y el tipo de
minerales de arcilla presentes.Un LL e IP altos indican un suelo
hidrfilo y por lo tanto ms susceptible a los cambios en el
contenido de humedad, que puede conducir a agrietamientos.Es
importante recordar aqu la definicin de plasticidad, entendida como
aquella propiedad del suelo que le permite ser deformado rpidamente
sin romperse, sin rebote elstico y sin cambio de volumen. Segn la
teora de Goldschmith, la plasticidad se debe a la presencia de
partculas muy delgadas con cargas electro-magnticas en su
superficie. Las molculas de agua son bipolares y se orientan como
pequeos imanes con el campo magntico cercano a la superficie de las
partculas de suelo. El agua es altamente viscosa en proximidad a
las partculas del suelo, pero a medida que la distancia se ampla,
la viscosidad disminuye hasta la distancia en donde hay agua
normalmente. Cuando hay suficiente agua (correspondiendo con el
estado plstico de consistencia) las partculas son separadas por
molasas de agua que permiten a las partculas deslizarse entre si y
adoptar nuevas posiciones, sin presentar tendencia a regresar a su
posicin original, sin cambio de volumen de vacos y sin afectar la
cohesin (En "Soil Mechanics and Foundations". Dr. B.C. Punmia,
Ashok Kumar Jain, B.C. Punmia, Arun Kr. Jain).
INDICE DE PLASTICIDAD Y ANGULO DE FRICCION RESIDUAL DE SUELOS
AOHESIVOSCONTRACCION Y EXPANSIONA lo largo de planos de falla
preformados, despus de movimientos grandes, los suelos cohesivos
presentan una resistencia cortante muy reducida (residual). El
ngulo correspondiente de friccin efectiva fr, depende del ndice de
plasticidad IP (ver la figura a continuacin). El parmetro fr se
aplica en un anlisis de estabilidad en suelos donde han ocurrido
movimientos previos (deslizamientos). Curvas que indican la
variacin del ngulo de friccin efectiva con el ndice de plasticidad
en suelos no alterados, normalmente consolidados y en suelos re
moldeados.
INDICE DE LIQUIDEZTambin conocido como la Relacin
Agua-Plasticidad, el ndice de Liquidez IL es el ndice utilizado
para medir a escala el contenido de humedad natural de una muestra
de suelo, respecto de los lmites lquido y plstico (indirectamente
sirve para tener una medida aproximada de la resistencia del
material), siendo definido como:
Donde Wn es el contenido de humedad natural (el encontrado en
campo o en estado natural) de la muestra en cuestin. IL compara el
contenido natural de humedad que presenta un suelo en el campo con
LL y LP, y es un excelente indicador de la historia geolgica y las
propiedades relativas del suelo, como se muestra esquemticamente en
la siguiente figura:.
Variaciones del Indic de Liquidez
IL contribuye a evaluar el grado de desecacin comparativo en
diferentes muestras de suelo, reduciendo la variacin debida a la
litologa, al escalar el contenido de humedad respecto de la
plasticidad. Tambin, el ndice de liquidez IL, refleja los efectos
del contenido de humedad sobre una muestra de suelo re moldeada y
saturada.La norma Britnica (BS 1377:1990) y la norma Vietnamita
(TCVN 4197:1995), consideran que la comparacin de humedades
utilizada en la frmula de IL, es ilgica, debido a las siguientes
razones: El contenido de humedad de una muestra de suelo, se lleva
a cabo en la totalidad de la muestra, incluyendo la fraccin gruesa
(considerada como un componente no plstico) y la fraccin fina
(considerada como un componente plstico). El lmite lquido LL y
lmite plstico LP, se llevan a cabo solamente en la porcin fina. La
forntera entre la porcin gruesa y la porcin fina, depende de las
normas aplicadas. Por ejemplo, este lmite es de 1,0 mm para el
estndar vietnamita y de 0,425 mm para la ASTM o BS.Por lo anterior,
proponen una correccin a w en el caso ingls, y a LL y LP en el caso
vietnamita, considerando el porcentaje de fraccin fina del
material.La norma Americana (ASTM D4318) no requiere ninguna
correccin.IL se expresa por lo general en porcentaje y puede
utilizarse para evaluar el comportamiento de un depsito de suelo si
este se encuentra alterado. Con base en el continuo de humedad, al
comparar los valores de IL puede establecerse:
IL indica en suelos plsticos la historia de esfuerzos a que ha
estado sometido el suelo.IL cercano a 0 - Suelo pre consolidado
(suelo que ha soportado presiones efectivas mayores a las
encontradas al momento de la prueba por los estratos en estado
natural). Por ejemplo, suelos que en superficie han estado
sometidos a la accin de la erosin (remocin de estratos
superficiales).IL cercano a 1 - Suelo normalmente consolidado
(suelo que nunca ha estado sometido a presiones efectivas mayores
que las encontradas al momento de la prueba en estado natural). En
estos suelos Wn cercana a LL.IL cercano a 0.20 indica que el suelo
siendo altamente plstico tendr poca o nula expansin.IL = 1, el
suelo re moldeado se encuentra en el lmite lquido LL y posee una
resistencia al corte no drenada de aproximadamente 2 kPa.IL = 0, el
suelo re moldeado se encuentra en su lmite plstico LP y posee una
resistencia al corte no drenada de aproximadamente 200 kPa.Un
depsito natural de suelo con w(%) > LL, tendr un IL > 1.0. En
estado inalterado, estos suelos pueden parecer estables, pero un
impacto sbito puede conducirlos al estado lquido. Este tipo de
suelos se denomina arcillas sensibles o sensitivas.ACTIVIDAD DE
ARCILLAS:La plasticidad se atribuye a la deformacin de la capa de
agua adsorbida alrededor de las partculas de mineral de arcilla.
Por lo tanto, el grado de plasticidad que presenta un suelo est
relacionado con el tipo y cantidad de minerales arcillosos
presentes. Como gua, entonces, el agua absorbida por un suelo
brinda algn estimativo de la cantidad de arcilla presente en dicho
suelo. En 1953, Skempton defini la actividad A de una arcilla
como:
Donde la fraccin de arcilla usualmente se toma como el
porcentaje en peso del suelo menor de 2 mm.La informacin
proveniente de la actividad de la arcilla puede proveer una cierta
inclinacin al tipo de arcilla presente y en consecuencia el
comportamiento natural del suelo. Por ejemplo el nivel relativo de
actividad esperado es bajo para la caolinita, medio para la ilita y
alto para la Montmorillonita.Segn el grado de actividad, las
arcillas se clasifican as:
La actividad ha sido til para cierta clasificacin y
correlaciones de propiedades de ingeniera, especialmente para
arcillas activas e inactivas. Tambin hay una correlacin regular a
buena, de la actividad y tipo de mineral de arcilla. Sin embargo,
solo los lmites de Atterberg son usualmente suficientes para estos
propsitos y la actividad no produce realmente nueva informacin.
Curva de Flujo para Determinacin del ndice de Flujo.INDICE DE
FLUJO:Corresponde a la pendiente de la lnea que representa en la
figura anterior el contenido natural de humedad, expresado en
porcentaje; contra el nmero de golpes en la determinacin de LL.Con
base en la determinacin de un punto anterior a los 25 golpes, puede
calcularse el ndice de flujo mediante la siguiente expresin:
Donde:w1: Humedad al nmero de golpes N1.N1: Nmero de golpes
anterior a los 25 golpes.INDICE DE DUREZA:
El ndice de dureza, tambin llamado ndice de Resistencia, ID o
IR, est definido por la siguiente expresin:
Este ndice representa la rapidez con que el suelo pasa del
estado semislido al estado lquido segn la magnitud del rango de
plasticidad, es decir, a menor valor del ndice de flujo, el ndice
de dureza tendr un mayor valor, o sea, la susceptibilidad a
originar un estado lquido (flujo de lodos), ser menor. A menor
valor del ndice de flujo, el suelo ser ms susceptible a pasar
rpidamente a un estado lquido.INDICE DE TENACIDAD:La tenacidad se
conoce como aquella consistencia que presentan los suelos, cerca de
LP. La potencialidad de la fraccin arcillosa de un suelo se
identifica por la mayor o menor tenacidad del rollo de suelo al
acercarse a LP y por la rigidez de la muestra al romperse
finalmente entre los dedos.La debilidad del rollo en LP, y la rpida
prdida de la coherencia de la muestra al rebasar este lmite,
indican la presencia de arcilla inorgnica de baja plasticidad o de
materiales tales como arcilla del tipo caoln y arcillas orgnicas
que caen abajo de la lnea A. Las arcillas altamente orgnicas se
sienten muy dbiles y esponjosas al tacto en LP.La resistencia de
diferentes suelos arcillosos en LP no es constante, sino que puede
variar ampliamente. En arcillas muy plsticas, la tenacidad en LP es
alta, debindose aplicar fuerte presin con las manos para formar los
rollos. Las arcillas de baja plasticidad son poco tenaces en
LP.Algunos suelos finos y arenosos pueden, en apariencia, ser
similares a las arcillas, pero no pueden formar rollos, entonces el
lmite lquido es prcticamente igual al plstico y an menor, dando un
IP negativo, luego no vale la pena obtener valores.Si dos suelos
plsticos tienen igual LP IP pero diferentes curvas de flujo, el
suelo con curva de menor pendiente, o sea el de menor ndice de
flujo; tendr mayor resistencia en LP ; la resistencia al esfuerzo
cortante de una arcilla en LP es una medida de su tenacidad, por lo
que puede darse que la tenacidad de las arcillas de igual IP crece
a menor ndice de flujo. En efecto sean :
Fw: indic de flujoS1: 25 gr/cm, resistencia al esfuerzo cortante
de los suelos plsticos en LL.S2: Resistencia al esfuerzo cortante
correspondiente a LP cuyo valor puede usarse para medir la
tenacidad de una arcilla.Si IP = LL - LP, poniendo en lugar de N su
equivalente Cs, donde C representa la relacin entre el nmero de
golpes y la correspondiente resistencia, puede escribirse de :w = -
Fw log N + CLL = - Fw log Cs1 + C (a)LP = - Fw log Cs2 + C (b)Si:
(a) - (b)IP = LL - LP = Fw (log Cs2 - log C s1)IP = Fw log (s2
/s1)De donde, el ndice de Tenacidad Tw ser:
El ndice de tenacidad, junto al de fluidez, sirve para
diferenciar las caractersticas de plasticidad de las arcillas. Vara
generalmente entre 1 - 3 y difcilmente es igual a 5 o menor a
1.INDICE DE COMPRESIBILIDAD:Desde que se considera que el lmite
lquido parece ser directamente proporcional a la compresibilidad de
las arcillas, este ha sido relacionado empricamente. Terzaghi y
Peck lo definieron como:Cc = 0.009 (LL - 10) con LL expresado en
%.INDICE DE CONSISTENCIA RELATIVA:Tambin denominado por algunos
autores como Consistencia Relativa, est definido como:
Dnde: Wn l es contenido de humedad del suelo en su estado
natural.
Este ndice es til en el estudio del comportamiento en campo de
suelos de grano fino saturados.Si CR < 0, o sea, Wn > LL el
amasado del suelo lo transforma en un lodo viscoso.CR cercano a 0
indica que el suelo tiene resistencia a la compresin inconfinada
entre 0,25 - 1,00 kg/cm.CR cercano a 1 indica que el suelo tiene
resistencia a la compresin inconfinada entre 1,00 - 5,00 kg/cm. La
resistencia al esfuerzo cortante del suelo crece en la medida en
que 0 < CR < 1.0,00 < CR < 0,25 - Suelo muy blando0,25
< CR < 0,50 - Suelo blando0,50 < CR < 0,75 - Suelo de
consistencia media0,75 < CR 1 el suelo se encuentra en un estado
semi slido y tendr un comportamiento rgido.Si CR < 0 sel suelo
posee un contenido de humedad natural superior a su LL y se
comportar como un fluido viscoso.Contraccin y Expansin
Las grietas de contraccin pueden presentarse localmente cuando
las presiones capilares exceden la cohesin o resistencia a la
tensin del suelo. Estas grietas, parte de la microestructura de la
arcilla, son zonas de debilidad que pueden reducir
significativamente la resistencia general y afectan la estabilidad
de taludes de arcilla y la capacidad de carga de fundaciones. La
corteza desecada y agrietada usualmente se encuentra sobre depsitos
de arcilla blanda y afecta la estabilidad de, por ejemplo,
terraplenes de autopistas construidas sobre estos depsitos.
La contraccin y grietas de contraccin son causadas por
evaporacin de la superficie en climas secos, disminuyendo el nivel
de la tabla de agua y eventualmente la desecacin del suelo causada
por los rboles durante temporadas de sequa en climas hmedos.
En la siguiente tablase presenta la experiencia de U.S. Bureau
of Reclamation sobre investigaciones de suelos expansivos y
arcillas expansivas, toda vez que al cambiar el clima de seco a
hmedo y los suelos tienen nuevamente acceso al agua tienden a
incrementar su volumen o expandirse.
El proceso de contraccin y expansin no es reversible, el suelo
tiene memoria de su historia de esfuerzos y mostrar los efectos de
contraccin previo y ciclos de secado. As, arcillas blandas se
convierten en sobre consolidadas y menos compresibles debido al
efecto del incremento en los esfuerzos efectivos causados por accin
capilar.
En la figura 6 se presenta la correlacin entre la expansin y el
colapso con el lmite lquido y la densidad seca in situ de los
suelos, basada en la experiencia del U.S. Bureau of Reclama
tin.
Figura 6. Gua para la Colapsibilidad, Compresibilidad y Expansin
basada en las Densidades In Situ y el Lmite Lquido (adaptado de
Mitchell y Gardner, 1975 y Gibbs, 1969).
El suelo seco se expande al mojarse e inversamente, el suelo
hmedo se contrae al secarse. Se sabe que el agua puede sacarse del
suelo hmedo por compresin ; el suelo seco ejerce una gran presin
cuando se est humedeciendo. Se puede medir la cantidad de presin
que un suelo seco o coloide ejerce cuando se est humedeciendo.
El hinchamiento de los suelos se define como el fenmeno que
ocurre cuando aumenta el volumen de un slido y disminuye su
cohesin, mientras ste absorbe un lquido sin perder su homogeneidad
aparente.
Factores que afectan el hinchamiento :
1. Tipo de arcilla, arena superficial, arreglo estructural,
densidad de la carga superficial, fuente de la carga.2. Cationes y
aniones asociados con la arcilla.3. Materia orgnica.4.
Sesquixidos.5. Agua entre las capas de arcilla.
Influencia de la Histresis del Agua del Suelo
El potencial de agua no es funcin nica del contenido de agua del
suelo, sino que depende de la historia previa de la humedad de la
muestra. A este fenmeno se le llama histresis del agua del
suelo.
En la figura 7 se representa el efecto de la histresis de un
suelo que inicialmente estuvo saturado, luego se sec lentamente
hasta un valor de - 1500 julios/kg, despus se le moj con
incrementos similares de agua hasta hacerlo llegar cerca del punto
de saturacin, donde las curvas se cerraron. Si el proceso de
secamiento hubiera cesado mas pronto, la curva de mojadura hubiera
tenido una trayectoria distinta, tal como lo muestra la curva
scanning B-A. De igual manera, si el secamiento hubiera comenzado
antes que se alcanzara la saturacin completa, la curva de
secamiento habra seguido la trayectoria de la curva scanning A-C.
Si el suelo se hubiera secado mas de lo que indica la figura, la
curva de mojadura sera una curva scanning. La curva de secamiento
limitante se encuentra con secamiento que comienza con saturacin
completa y la curva de mojadura limitante comienza con el suelo a
la mayor sequedad posible, pues en la mayora de las aplicaciones de
campo el secamiento es al aire (los suelos pueden secarse con P2O5
en el vaco, para conseguir secamiento completo).
Las curvas anteriores dependen de la temperatura, estructura y
composicin. Cuando estas variables se mantienen constantes, los
puntos que se determinan experimentalmente deben caer entre las
curvas limitantes.
Figura 7. Histresis del Agua del Suelo.
INTRODUCCIN
El trmino arcilla se usa habitualmente con diferentes
significados: Desde el punto de vista mineralgico, engloba a un
grupo de minerales (minerales de la arcilla), filosilicatos en su
mayor parte, cuyas propiedades fsico-qumicas dependen de su
estructura y de su tamao de grano, muy fino (inferior a 2 mm).Desde
el punto de vista petrolgico la arcilla es una roca sedimentaria,
en la mayor parte de los casos de origen detrtico, con
caractersticas bien definidas. Para un sediment logo, arcilla es un
trmino granulomtrico, que abarca los sedimentos con un tamao 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 se
convierte en una pasta plstica. Desde el punto de vista econmico
las arcillas son un grupo de minerales industriales con diferentes
caractersticas mineralgicas y genticas y con distintas propiedades
tecnolgicas y aplicaciones.Por tanto, el trmino arcilla no slo
tiene connotaciones mineralgicas, sino tambin de tamao de partcula,
en este sentido se consideran arcillas todas las fracciones con un
tamao de grano inferior a 2 mm. Segn esto todos los filosilicatos
pueden considerarse verdaderas arcillas si se encuentran dentro de
dicho rango de tamaos, incluso minerales no pertenecientes al grupo
de los filosilicatos (cuarzo, feldespatos, etc.) pueden ser
considerados partculas arcillosas cuando estn incluidos en un
sedimento arcilloso y sus tamaos 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 meteorizacin de los silicatos que, formados a mayores
presiones y temperaturas, en el medio exgeno se
hidrolizan.ESTRUCTURA DE LOS FILOSILICATOSComo veremos, las
propiedades de las arcillas son consecuencia de sus caractersticas
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 oxgeno e
hidroxilos. Los grupos tetradricos (SiO)44- se unen compartiendo
tres de sus cuatro oxgenos con otros vecinos formando capas, de
extensin infinita y frmula (Si2O5)2-, que constituyen la unidad
fundamental de los filosilicatos. En ellas los tetraedros se
distribuyen formando hexgonos. El silicio tetradrico puede estar,
en parte, sustituido por Al3+ o Fe3+.
Estas capas tetradricas se unen a otras octadricas de tipo
gibbsita o brucita. En ellas algunos Al3+ o Mg2+, pueden estar
sustituidos por Fe2+ o Fe3+ y ms raramente por Li, Cr, Mn, Ni, Cu o
Zn. El plano de unin entre ambas capas est formado por los oxgenos
de los tetraedros que se encontraban sin compartir con otros
tetraedros (oxgenos apicales), y por grupos (OH)- de la capa
brucitica o gibsitica, de forma que, en este plano, quede un (OH)-
en el centro de cada hexgono formado por 6 oxgenos apicales. El
resto de los (OH)- son reemplazados por los oxgenos de los
tetraedros (Figura siguiente).
Una unin similar puede ocurrir en la superficie opuesta de la
capa octadrica. As, los filosilicatos pueden estar formados por dos
capas: tetradrica ms octadrica y se denominan bilaminares, 1:1, o
T:O; o bien por tres capas: una octadrica y dos tetradricas,
denominndose trilaminares, 2:1 o T:O:T. A la unidad formada por la
unin de una capa octadrica ms una o dos tetradricas se la denomina
lmina. Si todos los huecos octadricos estn ocupados, la lmina se
denomina trioctadricos (Mg2+ dominante en la capa octadrica). Si
solo estn ocupadas dos tercios de las posiciones octadricas y el
tercio restante est vacante, se denomina dioctadricos (el Al3+ es
el catin octadrico dominante). En algunos filosilicatos
(esmectitas, vermiculitas, micas...) las lminas no son
elctricamente neutras debido a las sustituciones de unos cationes
por otros de distinta carga. El balance de carga se mantiene por la
presencia, en el espacio inter laminar, o espacio existente entre
dos lminas consecutivas, de cationes (como por ejemplo en el grupo
de las micas), cationes hidratados (como en las vermiculitas y
esmectitas) o grupos hidroxilo coordinados octadricamente,
similares a las capas octadricas, como sucede en las cloritas. A
stas ltimas tambin se las denomina T:O:T:O o 2:1:1. La unidad
formada por una lmina ms la inter lmina es la unidad estructural.
Los cationes inter laminares ms frecuentes son alcalinos (Na y K) o
alcalinotrreos (Mg y Ca).
Las fuerzas que unen las diferentes unidades estructurales son
ms dbiles que las existentes entre los iones de una misma lmina,
por ese motivo los filosilicatos tienen una clara direccin de
exfoliacin, paralela a las lminas. Tambin pertenecen a este grupo
de minerales la sepiolita y la Paligorskita, a pesar de presentar
diferencias estructurales con el resto de los filosilicatos.
Estructuralmente estn formadas por lminas discontinuas de tipo
mica. A diferencia del resto de los filosilicatos, que son
laminares, stos tienen hbito fibroso (figura siguiente), ya que la
capa basal de oxgenos es continua, pero los oxgenos apicales sufren
una inversin peridica cada 8 posiciones octadricas (sepiolita) o
cada 5 posiciones (paligorskita). Esta inversin da lugar a la
interrupcin de la capa octadrica que es discontinua.
CLASIFICACIONLos filosilicatos se clasifican atendiendo a que
sean bilaminares o trilaminares y dioctadricos o trioctadricos
(Tabla siguiente). Como puede verse pertenecen a los filosilicatos
grupos de minerales tan importantes como las micas y las
arcillas.
PROPIEDADES FISICO-QUMICAS
Las importantes aplicaciones industriales de este grupo de
minerales radican en sus propiedades fsico-qumicas. Dichas
propiedades derivan, principalmente, de: Su extremadamente pequeo
tamao de partcula (inferior a 2 mm) Su morfologa laminar
(filosilicatos) Las sustituciones isomrficas, que dan lugar a la
aparicin de carga en las lminas y a la presencia de cationes
dbilmente ligados en el espacio inter laminar.Como consecuencia de
estos factores, presentan, por una parte, un valor elevado del rea
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 plstico en mezclas
arcilla-agua con elevada proporcin slido/lquido y son capaces en
algunos casos de hinchar, con el desarrollo de propiedades
geolgicas en suspensiones acuosas.Por otra parte, la existencia de
carga en las lminas se compensa, como ya se ha citado, con la
entrada en el espacio inter laminar de cationes dbilmente ligados y
con estado variable de hidratacin, que pueden ser intercambiados
fcilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una
solucin saturada en otros cationes, a esta propiedad se la conoce
como capacidad de intercambio catinico y es tambin la base de
multitud de aplicaciones industriales.
SUPERFICIE ESPECIFICA:La superficie especfica o rea superficial
de una arcilla se define como el rea de la superficie externa ms el
rea de la superficie interna (en el caso de que esta exista) de las
partculas constituyentes, por unidad de masa, expresada en m2/g.Las
arcillas poseen una elevada superficie especfica, muy importante
para ciertos usos industriales en los que la interaccin
slido-fluido depende directamente de esta propiedad.A continuacin
se muestran algunos ejemplos de superficies especficas 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
Paligorskita 100-200 m2/g CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO:Es una
propiedad fundamental de las esmectitas. Son capaces de cambiar,
fcilmente, los iones fijados en la superficie exterior de sus
cristales, en los espacios inter laminares, o en otros espacios
interiores de las estructuras, por otros existentes en las
soluciones acuosas envolventes. La capacidad de intercambio
catinico (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 isomrficas dentro de la estructura.
Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas.
Disociacin de los grupos hidroxilos accesibles.El primer tipo es
conocido como carga permanente y supone un 80 % de la carga neta de
la partcula; adems es independiente de las condiciones de pH y
actividad inica del medio. Los dos ltimos tipos de origen varan en
funcin del pH y de la actividad inica. Corresponden a bordes
cristalinos, qumicamente activos y representan el 20 % de la carga
total de la lmina.A continuacin se muestran algunos ejemplos de
capacidad de intercambio catinico (en meq/100 g):
Caolinita: 3-5 Halloisita: 10-40 Illita: 10-50 Clorita: 10-50
Vermiculita: 100-200 Montmorillonita: 80-200
Sepiolita-Paligorskita: 20-35CAPACIDAD DE ABSORCION:Algunas
arcillas encuentran su principal campo de aplicacin en el sector de
los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras molculas en el
espacio inter laminar (esmectitas) o en los canales estructurales
(sepiolita y Paligorskita).La capacidad de absorcin est
directamente relacionada con las caractersticas texturales
(superficie especfica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos
de procesos que difcilmente se dan de forma aislada: absorcin
(cuando se trata fundamentalmente de procesos fsicos como la
retencin por capilaridad) y adsorcin (cuando existe una interaccin
de tipo qumico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el
lquido o gas adsorbido, denominado adsrbalo).La capacidad de
adsorcin 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 absorcin de agua de arcillas absorbentes es mayor del
100% con respecto al peso.
HIDRATACION E HINCHAMIENTO:La hidratacin y deshidratacin del
espacio inter laminar son propiedades caractersticas de las
esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos
industriales. Aunque hidratacin y deshidratacin ocurren con
independencia del tipo de catin de cambio presente, el grado de
hidratacin s est ligado a la naturaleza del catin inter laminar y a
la carga de la lmina.La absorcin de agua en el espacio inter
laminar tiene como consecuencia la separacin de las lminas dando
lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la
atraccin electrosttica catin-lmina y la energa de hidratacin del
catin. A medida que se intercalan capas de agua y la separacin
entre las lminas aumenta, las fuerzas que predominan son de
repulsin electrosttica entre lminas, lo que contribuye a que el
proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar completamente unas
lminas de otras. Cuando el catin inter laminar es el sodio, las
esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo
llegar a producirse la completa disociacin de cristales
individuales de esmectitas, teniendo como resultado un alto grado
de dispersin y un mximo desarrollo de propiedades coloidales. Si
por el contrario, tienen Ca o Mg como cationes de cambio su
capacidad de hinchamiento ser mucho ms reducida.
PLASTICIDAD:Las arcillas son eminentemente plsticas. Esta
propiedad se debe a que el agua forma una envuelta sobre las
partculas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita
el deslizamiento de unas partculas sobre otras cuando se ejerce un
esfuerzo sobre ellas.La elevada plasticidad de las arcillas es
consecuencia, nuevamente, de su morfologa laminar, tamao de
partcula extremadamente pequeo (elevada rea superficial) y alta
capacidad de hinchamiento.Generalmente, esta plasticidad puede ser
cuantificada mediante la determinacin de los ndices de Atterberg
(Lmite Lquido, Lmite Plstico y Lmite de Retraccin). Estos lmites
marcan una separacin arbitraria entre los cuatro estados o modos de
comportamiento de un suelo slido, semislido, plstico y semilquido o
viscoso (Jimnez Salas, et al. , 1975).La relacin existente entre el
lmite lquido y el ndice de plasticidad ofrece una gran informacin
sobre la composicin granulomtrica, comportamiento, naturaleza y
calidad de la arcilla. Existe una gran variacin entre los lmites de
Atterberg de diferentes minerales de la arcilla, e incluso para un
mismo mineral arcilloso, en funcin del catin de cambio. En gran
parte, esta variacin se debe a la diferencia en el tamao de
partcula y al grado de perfeccin del cristal. En general, cuanto ms
pequeas son las partculas y ms imperfecta su estructura, ms plstico
es el material.TIXOTROPIA:La tixotropa se define como el fenmeno
consistente en la prdida de resistencia de un coloide, al amasarlo,
y su posterior recuperacin con el tiempo. Las arcillas tixotrpicas
cuando son amasadas se convierten en un verdadero lquido. Si, a
continuacin, se las deja en reposo recuperan la cohesin, as como el
comportamiento slido. Para que una arcilla tixotrpica muestre este
especial comportamiento deber poseer un contenido en agua prximo a
su lmite lquido. Por el contrario, en torno a su lmite plstico no
existe posibilidad de comportamiento tixotrpico.