Minerales de Arcilla

MINERALES DE ARCILLA La arcilla es el término con el cual nombramos un mineral o una roca que esta constituida principalmente por estos minerales. Los minerales arcillosos son filosilicatos (subclase de los silicatos que incluye minerales comunes en ambientes muy diversos y que presentan, como rasgo común, un hábito un hábito hojoso ( phyllon = hoja) o escamoso derivado de la existencia de una exfoliación basal perfecta) hidratados que tienen una presentación de cristales demasiados pequeños (algunos en laminas hexagonales o a veces en fibras). Además poseen imperfecciones en su estructura cristalina (defectos reticulares). Los minerales de arcilla son formados principalmente por la meteorización química de las rocas, lo que quiere decir que estos minerales son producto de la alteración de minerales preexistentes en la roca. Estos minerales poseen dos componentes estructurales básicos: uno de ellos es el tetraedro de Silicio-Oxigeno y el otro es el octaedro en el cual un átomo de aluminio, magnesio y/o hierro es rodeado por seis aniones (2 ó 4 oxígenos y 4 ó 2 hidróxidos). Estudiaremos y observaremos este tema más adelante para dar una mejor explicación. Podemos decir también que estos minerales poseen un tamaño extremadamente pequeño, podríamos decir diminuto, y por esto no pueden ser vistos con facilidad a simple vista por el hombre; en este caso es necesaria la utilización de un microscopio electrónico. Los minerales arcillosos son muy comunes en roca sedimentarias finas granuladas como las pizarras, y areniscas,  areniscas,  y de rocas finas granuladas metamórficas como pizarras como pizarras y filitas. ORIGEN: Los minerales arcillosos pueden proceder de la alt eración de la roca magmática o metamórfica, y después del transporte, dar arcillas detríticas (es el caso más frecuente). Pueden formarse en una cuenca de sedimentación en cuyo caso son minerales arcillosos autigénicos o neoformados. En otros casos pueden proceder de una reorganización mineralógica durante la diagénesis (minerales arcillosos diagenéticos). Las arcillas detríticas son corrientemente denominadas arcillas primarias o heredadas, y las otras arcillas secundarias. Mecanismos de formación y evolución de minerales de la arcilla: 1. Herencia:  Herencia:  Las arcillas del suelo se formaron en una etapa anterior del ciclo petrológico, bajo condiciones diferentes a las actuales. Se las llama heredadas porque no se corresponden con las condiciones de equilibrio termodinámico actualmente existentes. 2. Neoformación: Neoformación: Mecanismo fundamental de creación de arcillas, debido a que este proceso crea íntegramente la estructura del mineral. Mediante la neoformación las arcillas se forman por cristalización directa de una solución o por evolución a partir de compuestos sólidos no cristalinos.

3. Transformación: Mecanismo que opera sobre un filosilicato preexistente para transformarlo en una arcilla. El filosilicato puede ser otra arcilla o una mica. Este mecanismo implica una sustracción, adición o sustitución de elementos químicos. Herencia = Preservación Neoformación + Transformación = Génesis Génesis de las Arcillas: Se considera que los minerales de arcilla pueden formarse en tres ambientes mayores: a) Ambiente de meteorización: Incluye la génesis de arcillas por procesos físico-químicos, catalizados o no por agentes biológicos. Este es el caso específico de la neoformación y transformación de minerales arcillosos en los mantos de alteración (regolito + suelo).

b) Ambiente sedimentario: Se define como subacuático y generalmente marino. Herencia es el mecanismo fundamental. c) Ambiente diagenético  –  hidrotermal: Implica condiciones de soterramiento, aumento de presión y temperatura, así como la eventual participación de fluidos supercríticos. Predomina la transformación. El ambiente de meteorización es el más importante en el estudio de las arcillas como minerales del suelo. ESTRUCTURAS DE LOS MINERALES DE ARCILLA: Los principales elementos químicos constituyentes de estos minerales son átomos de: silicio, aluminio, hierro, magnesio, hidrógeno y oxígeno. Estos elementos atómicos se combinan formando estructuras atómicas básicas, que combinándose entre si forman láminas, la que al agruparse forman estructuras laminares que finalmente al unirse por medio de un enlace forman un mineral de arcilla. FIGURA 1

La Figura 1 muestra las dos unidades estructurales básicas de los minerales de arcilla, que son: la unidad tetraédrica constituida por un ión de silicio rodeado por cuatro átomos de oxígeno (Figura 1a) y la unidad octaédrica formada por un ión central de aluminio o magnesio rodeado por seis iones de oxidrilo (Figura 1b). En ambos casos el metal con valencia positiva está situado en el interior, mientras que los iones no metálicos con valencia negativa forman el exterior. Observaremos además, que hay estructuras laminares que se forman cuando varias unidades atómicas básicas se enlazan covalentemente mediante los iones de oxigeno u oxidrilo. Entre las estructuras laminares se tiene la lamina tetraédrica y octaédrica. FIGURA 2

En la Figura 2a se muestra una lámina tetraédrica llamada sílice, que está formada por tetraedros enlazados que comparten dos átomos de oxígeno, la forma simbólica de representar esta lámina es por medio de un trapecio. La Figura 2b muestra una lámina octaédrica formada por octaedros de aluminio enlazados que forman una estructura dioctaédrica llamada alumina o gibsita, simbólicamente está representada por un rectángulo con letra G. La lámina de la Figura 2c, corresponde a una lámina formada por octaedros de magnesio

que forman una estructura trioctaédrica llamada brucita, simbólicamente está representada por un rectángulo con letra B. Las capas de tetraedros y octaedros se acoplan dando láminas que al repetirse forma la estructura cristalina.

 Ahora, profundizaremos sobre las láminas tetraédricas y octaédricas como estructuras importantes en los minerales de arcilla. 1. Lámina tetraédrica de siloxano. La unidad básica es [Si 2O5]2-. Los tetraedros se ubican compartiendo sus tres oxígenos en un plano. El cuarto oxígeno de cada tetraedro apunta hacia el mismo lado (oxígenoapical). Esta compleja estructura cristalina se puede comprender de una manera sencilla considerándola como un conjunto de átomos dispuestos en planos paralelos, que podemos suponer horizontales. En estos planos los átomos tendrán siempre simetría hexagonal, o más precisamente ditrigonal. Estos planos son (por ejemplo desde abajo hacia arriba):

2. La capa octaédrica es mucho más compleja. Cada octaedro se forma con un Al3+ en el centro coordinado con 6 oxígenos, además distintos cationes monovalentes, divalentes o trivalentes pueden sustituir al aluminio (Li+, Zn2+, Mg2+,Fe2+, Fe3+, Cr 3+).Debido a la diferencia de cargas entre el Si4+ y el Al3+, muchos de los O2- se reemplazan por OH(no hay cambios notables entre el tamaño del oxígeno y el hidroxilo) A la capa octaédrica suele denominársela capa de gibbsita: Al(OH)3

La separación entre los iones externos de las láminas de tetraédricas y octaédricas es suficiente para que ambas láminas puedan unirse por medio de iones oxígeno u oxidrilo mutuamente; esto hace posible la formación de estructuras laminares de dos o de tres láminas. A continuación, observaremos estas estructuras. FIGURA 3

En la estructura de dos láminas mostrada en la Figura 3a, las láminas tetraédricas y octaédricas están alternadas, mientras que la de tres láminas mostrada en la Figura 3b consiste de una lámina octaédrica emparedada entre dos láminas tetraédricas, estas dos formas de estructuras laminares son generales para formar las distintas variedades de minerales de arcilla.

Las arcillas dioctaédricas se basan en una estructura cristalina formada por capas de siloxano y gibbsita.

Las arcillas trioctaedricas se estructuran con capas de siloxano y brucita Mg(OH)2

Clasificación de los minerales arcillosos:

Las arcillas se clasifican estructuralmente según la capa octaédrica esté unida a una o a dos láminas tetraédricas. Para estudiar una estructura cristalina, que se puede considerar como una determinada repetición de una inmensa cantidad de átomos, iones o moléculas, es muy útil reducir la red a su mínima expresión. Es decir la mínima cantidad de materia que por repetición origina toda la estructura cristalina. La disposición es siempre según planos, por lo que es cómodo estudiar el ordenamiento en una serie de planos paralelos y por superposición de estos planos se obtiene todo el modelo tridimensional. El plano queda definido por el paralelogramo unidad y la estructura tridimensional por un paralelepípedo llamado celdilla unidad, que queda definido por la dimensión de sus tres lados y los tres ángulos que estos forman. 

Celdilla unidad y fórmula estructural 1:1

Consideremos la lámina 1:1 como una superposición de planos horizontales.

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Celdilla unidad y fórmula estructural 2:1

PRINCIPALES GRUPOS: 1. Grupo Caolinita:

La caolinita (Al4Si4O10(OH)8) es el principal constituyente del caolín y las arcillas para porcelana. Las caolinitas son producto de la meteorización del feldespato ortoclasa proveniente del granito y comúnmente se encuentran en suelos compuestos de sedimento. La caolinita se presenta en hojuelas hexagonales de tamaño pequeño, su estructura consiste en una distribución de dos láminas de sílice y gibsita fuertemente enlazadas. Algunos minerales de arcilla pertenecientes a este grupo son: la dickita que tiene la misma composición de la caolinita pero con un orden diferente en sus láminas y la halosita que generalmente aparece en algunos suelos tropicales, cuyas láminas en forma tubular están enlazadas por moléculas de agua. (1:1) dioctaédrica

2. Grupo Illita: La illita es el resultado de la meteorización de las micas, es similar en muchos aspectos a la mica blanca pero tiene menos potasio y más agua en su composición. Se presenta en forma de hojuelas y su estructura consiste en arreglos de tres láminas de gibsita con los iones de K proporcionando el enlace entre láminas adyacentes de sílice. Debido a que el enlace es más débil que el de la caolinita sus partículas son más pequeñas y delgadas.

3. Grupo Montmorillonita: La montmorillonita es el constituyente principal de la bentonita y otras variedades similares de arcilla. Las montmorillonitas suelen ser el resultado de la meteorización del feldespato plaglioclasa en los depósitos de ceniza volcánica. Su estructura fundamental consiste de distribuciones de tres láminas, cuya lámina octaédrica intermedia es casi siempre gibsita o en otro caso brucita. Diversos enlaces metálicos además del potasio (K) forman enlaces débiles entre las láminas. Una característica particular del los minerales del grupo de la montmorillonita es su considerable aumento de volumen al absorber partículas de agua. (2:1) dioctaédrica

4. Grupo Vermiculita: Este grupo contiene productos de la meteorización de la biotita y la clorita. La estructura de la vermiculita es similar a la montmorillonita, excepto que los cationes que proporcionan los enlaces entre láminas son predominantemente Mg, acompañados por algunas moléculas de agua. Estructura 2:1

PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS: 

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Tamaño del Grano: El orden del tamaño arcilloso varía desde 0.005mm. hastadimensiones coloidales, teniendo muchas partículas arcillosas un diámetro inferior a 0.0002mm. Superficie Especifica: La superficie específica o área superficial de una arcilla se define como el área de la superficie externa más el área de la superficie interna (en el caso de que esta exista) de las partículas constituyentes, por unidad de masa, expresada en m 2/g. Capacidad de Intercambio Catiónico:  Es una propiedad fundamental de las esmectitas. Son capaces de cambiar, fácilmente, los iones fijados en la superficie exterior de sus cristales, en los espacios interlaminares, o en otros espacios interiores de las estructuras, por otros existentes en las soluciones acuosas envolventes. La capacidad de intercambio catiónico (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. Capacidad de Absorción: Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita). La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos

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tipos de procesos que difícilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líquido o gas adsorbido, denominado adsorbato). Hidratación e Hinchamiento: La hidratación y deshidratación del espacio interlaminar son propiedades características de las esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales. Aunque hidratación y deshidratación ocurren con independencia del tipo de catión de cambio presente, el grado de hidratación sí está ligado a la naturaleza del catión interlaminar y a la carga de la lámina. La absorción de agua en el espacio interlaminar tiene como consecuencia la separación de las láminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la atracción electrostática catión-lámina y la energía de hidratación del catión. Plasticidad: Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma una envuelta sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas. Consolidación: Son propensas a esta propiedad debido a que el contenido de agua entre las aperturas de las arcillas es relativamente alto. Contracción: Se presenta cuando los suelos de arcilla tienden a encogerse cuando se secan, debido a la reducción de espacio poroso. Intumescencia: Esta propiedad es todo lo contrario a la contracción ya que esta propiedad se presenta si los suelos arcillosos absorben agua y por lo tanto aumentan su volumen. Permeabilidad:  Las arcillas cuentan con una baja permeabilidad, el agua solo penetra a través de grietas de contracción. Sensibilidad: Se refiere a que las partículas arcillosas cuentan con cargas eléctricas parecidas lo que origina una mutua repulsión, siendo arrastradas. Tixotropía: La tixotropía se define como el fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su posterior recuperación con el tiempo. Las arcillas tixotrópicas cuando son amasadas se convierten en un verdadero líquido. Si, a continuación, se las deja en reposo recuperan la cohesión, así como el comportamiento sólido. Para que una arcilla tixotrópica muestre este especial comportamiento deberá poseer un contenido en agua próximo a su límite líquido. Por el contrario, en torno a su límite plástico no existe posibilidad de comportamiento tixotrópico.

LAS ARCILLAS EN INGENIERIA CIVIL: En ingeniería civil, más específicamente en mecánica de suelos, es fundamental el conocimiento de los suelos y su comportamiento bajo condiciones diversas que dependen de su historia geológica y composición. Así suelos arcillosos, son importantes sus características actuales y sus reacciones a la acción de soluciones químicas, corrientes eléctricas o al contacto con otros minerales que puedan variar completamente su permeabilidad, resistencia, etc. En general, el estudio de suelos en ingeniería civil incluye mineralogía y comportamiento bajo condiciones diversas. La determinación mineralógica es

importante por que permite predecir su comportamiento y la forma de controlarlo. Suelos arcillosos pueden contener predominantemente montmorrillonita, hidrómica, caolinita, haloisita o alófano. Los primeros son de plasticidad, actividad e índice de liquidez elevado, baja resistencia a la presión no confinada, alto hinchamiento y absorción de agua, mientras que los suelos caoliníticos son de baja actividad, índice de liquidez y plasticidad bajo y de alta resistencia a la presión no confinada. Más aun, el conocimiento mineralógico permite controlar sus propiedades aprovechando la facilidad de intercambio iónico, de reacción a corrientes eléctricas, etc. Son utilizadas como arena de moldeo, lodos de perforación, material de sellado, Creación de membranas impermeables en torno a barreras en el suelo, o como soporte de excavaciones, prevención de hundimientos. En las obras, se puede evitar el desplome de paredes lubricándolas con lechadas de bentonita, protección de tuberías: como lubricante y rellenando grietas, en cementos: aumenta su capacidad de ser trabajado y su plasticidad, en túneles: ayuda a la estabilización y soporte en la construcción de túneles, actúa como lubricante (un 3-5 % de lodo de bentonita sódica mantenida a determinada presión soporta el frente del túnel), también es posible el transporte de los materiales excavados en el seno de fluidos benoníticos por arrastre, en tomas de tierra: proporciona seguridad en el caso de rotura de cables enterrados, transporte de sólidos en suspensión.

MINERALES DE ARCILLA

PRESENTADO POR: SANTIAGO MEJIA MANRIQUE

PRESENTADO A: RICARDO CORTEZ DELVALLE

ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA JULIO GARAVITO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL GEOLOGIA-3 BOGOTA D.C 2012