TALLER DE GEOTECNIA

Propiedades electroquímicas de los minerales arcillosos

Los minerales arcillosos son producto de la meteorización química y esta compuesto en su mayor parte por silicatos de aluminio hidratado. Las partícula que lo constituye son muy pequeñas y su comportamiento esta dominado principalmente por la actividad electrolítica. En general tiene una carga negativa neta y presenta afinidad por el agua.Los minerales arcillosos tienen forma cristalina y están constituidos por dos unidades estructurales: la unidad tetraédrica, en la cual cuatro moléculas oxigeno encierran un átomo de silicio y la unida octaédrica, en la cual un átomo de aluminio o magnesio esta encerrado por seis grupos hidróxidos. De acuerdo con la organización de estas unidades estructurales en la red cristalinas, los minerales arcillosos se dividen en tres grupos principales: Las caolinitas, las ilitas, las montmorilonitas.

Grupos de las caolinitasEl bloque estructural de este grupo de minerales tiene un espesor de 7A y está formado por una capa de unidades tetraédrica y una capa de unidades octaédrica. Un gran números de estos bloques se unen entre sí para formar partículas 500-1,000A de espesor, y con una relación típica diámetro/espesor de 10-20. Los enlaces iónicos de hidrógenos entre bloques crean una estructura relativamente estable en la que no penetra en agua con facilidad. Estas caolinitas presentan una baja absorción de agua y una baja susceptibilidad a la retracción y a la expansión al ser sometida a variaciones de humedad.

Grupos de las ilitas:El bloque estructural de este grupo tiene un espesor de 10A, y esta formado por una capa de unidades octaédricas en medio de dos capas de unidades tetraédricas orientadas en forma opuesta. Sin embargo, algunos de los silicios (Si4+) localizados en las unidades tetraédricas son reemplazados por aluminio (Al3+). Esto implica que un ion de menor valencia reemplaza a otro de mayor valencia, lo cual hace que se adhieran iones potasio (K+) entre los bloques en un intento por compensar el déficit de cargas. La adherencia entre las capas de vida a los iones de potasio permite la unión entre bloques como se muestra en la figura 3.5d, pero la adherencia es menos estable que la creada por los enlaces de hidrogeno en las partículas de caolinita, por ello las partículas de ilita solo alcanza un espesor de 200-300A y tiene una relación típica diámetro/espesor del orden 20-50. Las ilitas presenta mayor tendencia a la absorción de agua que las caolinitas, mayor susceptibilidad a la retracción y a la expansión.

Grupo de las montmorillonitas:Este tiene un bloque estructural similar al de las ilitas, pero adicionalmente a la sustitución del silicio (Si4+) por aluminio (Al3+) en la unidad tetraédricas, algunos de los iones de aluminio (Al3+) en la unidades octaédricas se remplazas por magnesio (Mg2+) y hierro (Fe2+). De estos cambios resulta una gran carga negativa neta que atrae a las moléculas de agua y de cualquier 64 otro catión disponible hacia el cristal, como se muestra en la figura 3.5e. Este enlace entre las capas creado por el agua es muy débil e inestable comparado con el enlace de iones de potasio de las ilitas. Las montmorillonitas son por tanto fácilmente divisibles en partículas muy pequeñas, con un espesor aproximado de 10-30A y con una relación típica diámetro/espesor del orden de 200-400. Además las montmorilonitas presentan una muy alta absorción de agua y muy alta características de retracción y expansión.

Características de los minerales arcillosos

Grupo de la 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 que pertenecen 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.

Grupo de la ilita.- La ilita 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.

Grupo de la montmorilonita.- La montmorilonita es el constituyente principal de la bentonita y otras variedades similares de arcilla. Las montmorilonitas 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 como muestra la Figura 1.6d. Una característica particular del los minerales del grupo de la montmorilonita es su considerable aumento de volumen al absorber partículas de agua.

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOS

Granulometría: La granulometria es la distribución de los tamaños de las partículas de un agregado tal como se determina por análisis de tamices (norma ASTM C 136).

El tamaño de partícula del agregado se determina por medio de tamices de malla de alambre aberturas cuadradas. Los siete tamices estándar ASTM C 33 para agregado fino tiene aberturas que varían desde la malla No. 100(150 micras) hasta 9.52 mm.

Permeabilidad en los Suelos: Es la facilidad o dificultad que tiene un suelo de permitir que lo atraviese el agua a través de sus vacíos. Esto permite clasificar los suelos en: suelos permeables y suelos impermeables, la permeabilidad esta influenciada por el tamaño de las partículas, espacio de los vanos y la estructura del suelo. La tabla 3.1 muestra los valores tipos de permeabilidad para diferentes tipos de suelos.

Densidad del suelo: La densidad relativa es una propiedad índice de los suelos y se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen casi exclusivamente partículas mayores a 0.074 mm (malla #200).La densidad relativa es una manera de indicar el grado de compacidad (compactación) de un suelo y se puede emplear tanto para suelos en estado natural como para rellenos compactados artificialmente.

GS= rsrw

Rs: peso especifico del solido

Rw: peso epecifico del agua

Límites de consistencia: Los límites consistencia de o también llamados límites de Atterberg se basan en el concepto de que los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden encontrarse en diferentes estados, dependiendo de su propia naturaleza y la cantidad de agua que contengan. Así, un suelo se puede encontrar en un estado sólido, semisólido, plástico y líquido o viscoso.

Actividad del suelo: La actividad refleja la capacidad de las partículas de un suelo arcilloso para  retener la humedad.

La plasticidad se atribuye a la deformación de la capa de agua adsorbida alrededor de las partículas de mineral de arcilla. Por lo tanto, el grado de plasticidad que presenta un suelo está relacionado con el tipo y cantidad de minerales arcillosos presentes. Como guía, entonces, el agua absorbida por un suelo brinda algún estimativo de la cantidad de arcilla presente en dicho suelo. En 1953, Skempton definió la actividad A de una arcilla como:

Donde la fracción de arcilla usualmente se toma como el porcentaje en peso del suelo menor de 2 mm.

Dureza: Este índice representa la rapidez con que el suelo pasa del estado semisólido al estado líquido según la magnitud del rango de plasticidad, es decir, a menor valor del índice de flujo, el índice de dureza tendrá un mayor valor, o sea, la susceptibilidad a originar un estado líquido (flujo de lodos), será menor. A menor valor del índice de flujo, el suelo será más susceptible a pasar rápidamente a un estado líquido.

Durabilidad: La durabildad se conoce como aquella consistencia que presentan los suelos, cerca de LP. La potencialidad de la fracción 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.

Compresibilidad: La compresibilidad es el grado en que una masa de suelo disminuye su volumen bajo el efecto de una carga. Es mínima en los suelos de textura gruesa,que tienen las partículas en contacto. Aumenta a medida que crece la proporción de partículas pequeñas y llega al máximo en los suelos de grano fino que contienen materia orgánica.

Desgaste: La erosión es el desgaste de los suelos producida por acción de losagentes erosivos, que son el agua en movimiento y el viento.