PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS El término arcilla se usa habitualmente con diferentes significados: ...
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PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS El término arcilla se usa habitualmente con diferentes significados: Desde el PUNTO DE VISTA MINERALÓGICO , engloba a un grupo de minerales (minerales de la arcilla), filosilicatos en su mayor parte, cuyas propiedades fisico-químicas dependen de su ESTRUCTURA Y DE SU TAMAÑO DE GRANO , (muy fino, inferior a 2 μm). Desde el PUNTO DE VISTA PETROLÓGICO la arcilla es una roca sedimentaria, en la mayor parte de los casos de origen detrítico, con características bien definidas. Para un sedimentólogo, arcilla es un término granulométrico, que abarca los sedimentos con un tamaño de grano inferior a 2 μm. PARA UN CERAMISTA una arcilla es un material natural que cuando se mezcla con agua en la cantidad adecuada se convierte en una pasta plástica. Desde el punto de vista económico las arcillas son un grupo de minerales industriales con diferentes características mineralógicas y genéticas y con distintas propiedades tecnológicas y aplicaciones. 1.- VALOR ELEVADO DEL ÁREA SUPERFICIAL 2.- GRAN CANTIDAD DE SUPERFICIE ACTIVA, CON ENLACES NO SATURADOS POR ELLO PUEDEN INTERACCIONAR CON MUY DIVERSAS SUSTANCIAS, EN ESPECIAL CON COMPUESTOS POLARES. POR ELLO LAS MEZCLAS ARCILLA-AGUA CON ELEVADA PROPORCIÓN (SÓLIDO/LÍQUIDO) TIENEN UN COMPORTAMIENTO PLÁSTICO
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PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS
El término arcilla se usa habitualmente con diferentes significados:
Desde el PUNTO DE VISTA MINERALÓGICO, engloba a un grupo de minerales (minerales de la arcilla), filosilicatos en su mayor parte, cuyas propiedades
fisico-químicas dependen de su ESTRUCTURA Y DE SU TAMAÑO DE GRANO, (muy fino, inferior a 2 μm).
Desde el PUNTO DE VISTA PETROLÓGICO la arcilla es una roca sedimentaria, en la mayor parte de los casos de origen detrítico, con características bien
definidas. Para un sedimentólogo, arcilla es un término granulométrico, que abarca los sedimentos con un tamaño de grano inferior a 2 μm.
PARA UN CERAMISTA una arcilla es un material natural que cuando se mezcla con agua en la cantidad adecuada se convierte en una pasta plástica. Desde el punto de vista económico las arcillas son un grupo de minerales industriales
con diferentes características mineralógicas y genéticas y con distintas propiedades tecnológicas y aplicaciones.
1.- VALOR ELEVADO DEL ÁREA SUPERFICIAL
2.- GRAN CANTIDAD DE SUPERFICIE ACTIVA, CON ENLACES NO SATURADOS
POR ELLO PUEDEN INTERACCIONAR CON MUY DIVERSAS SUSTANCIAS, EN ESPECIAL CON COMPUESTOS POLARES. POR ELLO LAS MEZCLAS ARCILLA-AGUA CON ELEVADA PROPORCIÓN
(SÓLIDO/LÍQUIDO) TIENEN UN COMPORTAMIENTO PLÁSTICO
LAS IMPORTANTES APLICACIONES INDUSTRIALES DE ESTE GRUPO DE MINERALES RADICAN EN SUS PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS.
DICHAS PROPIEDADES DERIVAN DE:
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS
1.- SU TAMAÑO DE PARTÍCULA EXTREMADAMENTE PEQUEÑO ( < 2 m
2.- SU MORFOLOGÍA LAMINAR (FILOSILICATOS)
Estructura general de los filosilicatos
La unidad formada por una lámina mas la interlámina se denomina unidad estructural. Los términos plano, capa,
lámina y unidad estruc tural tienen unos significados precisos y definen partes cada vez mayores de la
disposición laminar.
3.- LAS SUSTITUCIONES ISOMÓRFICAS, QUE DAN LUGAR A LA APARICIÓN DE CARGA EN LAS LÁMINAS Y A LA PRESENCIA DE CATIONES DÉBILMENTE LIGADOS EN EL ESPACIO
INTERLAMINAR.
Estructura de la montmorillonita.
Espacio interlaminar
En algunos filosilicatos las láminas no son eléctricamente neutras (Aparición de carga en las láminas) debido a las sustituciones de unos cationes por otros de distinta carga (sustituciones isomórficas). El balance de carga se
mantiene por la presencia, en el espacio interlaminar, o espacio existente entre dos láminas consecutivas, de cationes individuales (como por ejemplo en el grupo de las micas), cationes hidratados (como en las vermiculitas y esmectitas) o grupos hidroxilo coordinados octaédricamente, similares a las capas octaédricas, como sucede en las cloritas. Los cationes interlami nares mas frecuentes son alcalinos (Na y K) o alcalinotérreos (Mg y Ca).
Las fuerzas que unen las diferentes unidades estructurales son más débiles que las existentes entre los iones de una misma lámina, por ese motivo todos los filosilicatos tienen una clara dirección de exfoliación, paralela a las
láminas. Además algunos de ellos (esmectitas, cloritas hinchables, vermiculitas hinchables) son capaces de incluir cationes hidratados, agua y distintos líquidos polares en su espacio interlaminar, dando lugar a una mayor
separación de las capas (aumento de su espaciado reticular) y por tanto hinchamien to.
Estructura de la vermiculita
ESPACIO INTERLAMINAR
Grupos hidroxilo coordinados octaédricamente, similares a las
capas octaédricas
LA EXISTENCIA DE CARGA EN LAS LÁMINAS SE COMPENSA, CON LA ENTRADA EN EL ESPACIO INTERLAMINAR DE CATIONES DÉBILMENTE
LIGADOS Y CON ESTADO VARIABLE DE HIDRATACIÓN, LOS CUALES PUEDEN SER INTERCAMBIADOS FÁCILMENTE MEDIANTE LA PUESTA EN CONTACTO DE
LA ARCILLA CON UNA SOLUCIÓN SATURADA EN OTROS CATIONES, A ESTA PROPIEDAD SE LA CONOCE COMO
CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO BASE DE MULTITUD DE APLICACIONES INDUSTRIALES.
ESPACIOINTERLAMINAR
CATIONES DÉBILMENTE LIGADOS
Y CON ESTADO VARIABLE DE HIDRATACIÓN
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS
Representación esquemática de la
estructura de la hidromica.
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // SUPERFICIE ESPECIFICA
6AREASe Partículas esféricas
DMASA
- Bentonita 150 – 800 m2/g
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
(m2/g).
2 123
AREASe Partículas prismáticas hexagonales
MASA eL
Las arcillas poseen una elevada superficie específica, muy importante para ciertos usos industriales en los que la interacción sólido-fluido depende directamente de
esta propiedad.
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-MONTMORILLONITA)
O EN LOS CANALES ESTRUCTURALES (SEPIOLITA Y PALIGORSKITA).
Aspecto fibroso de la sepiolita y atapulgita
Estructura de la
montmorillonita
CAPACIDAD DE ABSORCIÓN.
LA ABSORCIÓN DE AGUA EN EL ESPACIO INTERLAMINAR TIENE COMO CONSECUENCIA LA SEPARACIÓN DE LAS LÁMINAS DANDO LUGAR AL HINCHAMIENTO.
A MEDIDA QUE SE INTERCALAN CAPAS DE AGUA Y LA SEPARACIÓN ENTRE LAS LÁMINAS AUMENTA, LAS FUERZAS QUE PREDOMINAN SON DE REPULSIÓN
ELECTROSTÁTICA ENTRE LÁMINAS, LO QUE CONTRIBUYE A QUE EL PROCESO DE HINCHAMIENTO PUEDA LLEGAR A DISOCIAR COMPLETAMENTE UNAS LÁMINAS DE
OTRAS.
INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS DE ARCILLA CON AGUA. HINCHAMIENTO.
DISOCIACIÓN COMPLETADE LAS LÁMINAS.
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS //HINCHAMIENTO
CUANDO EL CATIÓN INTERLAMINAR ES EL SODIO, LAS ESMECTITAS TIENEN UNA GRAN CAPACIDAD DE HINCHAMIENTO, PUDIENDO LLEGAR A PRODUCIRSE LA COMPLETA
DISOCIACIÓN DE CRISTALES INDIVIDUALES DE ESMECTITA, TENIENDO COMO RESULTADO UN ALTO GRADO DE DISPERSIÓN Y UN MÁXIMO DESARROLLO DE
PROPIEDADES COLOIDALES.
SI POR EL CONTRARIO, TIENEN Ca o Mg COMO CATIONES DE CAMBIO SU CAPACIDAD DE HINCHAMIENTO SERÁ MUCHO MÁS REDUCIDA.
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS //HINCHAMIENTO
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
LA CARACTERÍSTICA FÍSICA MÁS SIGNIFICATIVA DE LAS ARCILLAS ES LA PLASTICIDAD, QUE ES LA CAPACIDAD DE DEFORMARSE ANTE UN ESFUERZO
MECÁNICO, SIN QUE SE PRODUZCA AGRIETAMIENTO, CONSERVANDO LA DEFORMACIÓN AL RETIRARSE LA CARGA.
EN LAS ARCILLAS DEPENDE FUNDAMENTALMENTE DEL CONTENIDO DE AGUA, SI ESTÁ SECA NO ES PLÁSTICA, SE DISGREGA, Y CON EXCESO DE AGUA SE SEPARAN LAS LÁMINAS. CUANDO ESTA CONVENIENTEMENTE
HUMEDECIDA PUEDE ADOPTAR CUALQUIER FORMA. ESTA PROPIEDAD SE DEBE A QUE EL AGUA FORMA UNA “ENVOLTURA” SOBRE LAS PARTÍCULAS
LAMINARES, PRODUCIENDO UN EFECTO LUBRICANTE QUE FACILITA EL DESLIZAMIENTO DE UNAS PARTÍCULAS SOBRE OTRAS CUANDO SE EJERCE
UN ESFUERZO SOBRE ELLAS.
LA ELEVADA PLASTICIDAD DE LAS ARCILLAS ES CONSECUENCIA DE SU MORFOLOGÍA LAMINAR, TAMAÑO DE PARTÍCULA EXTREMADAMENTE
PEQUEÑO (ELEVADA ÁREA SUPERFICIAL) Y ALTA CAPACIDAD DE HINCHAMIENTO.
EN GENERAL, CUANTO MÁS PEQUEÑAS SON LAS PARTÍCULAS Y MÁS IMPERFECTA SU ESTRUCTURA, MÁS PLÁSTICO ES EL MATERIAL.
Consider a soap bubble of radius r (with gas (= air) on both sides). With, γ denoting the surface tension in the film, measured as energy per unit area, the total energy in the film surface is:
If the radius will be increased by dr, the added energy will amount to
This increase in film area is produced by increasing the pressure difference, Δp, say by increasing the inner pressure, pIN, more than the outer one, pOUT The added energy is due to the work of Δp. Thus,
Soap bubble.
Since γ > 0 and r > 0, we must have Δp >0, or pIN > pOUT.
24 r
8 r dr
24 8
pdV dA
r pdr rdr
2p
r
The difference in pressure between the pressure in the air (or in general, the non-wetting phase), pair, and in the water (the wetting phase), pwater, is called
CAPILLARY PPRESSURE, p'c. p'c. = pair - pwater,
EL AGUA SE PRESENTA EN LAS ARCILLAS EN 3 FORMAS:
-HIDRATACIÓN (QUÍMICAMENTE COMBINADA)-PLASTICIDAD (RODEANDO LAS PARTÍCULAS MINERALES) -INTERSTICIAL (RELLENANDO LOS HUECOS ENTRE LOS
GRANOS)
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
Water film between particles leads to capillary force
Claim 1: Clay is composed of fine particlesClaim 2: Capillary action matters in small areas (small r
leads to large ΔP; likewise, large r [mucha agua] leads to a low ΔP).
Claim 3: Capillary action of water between clay particles is key to plasticity.
Equation Laplacefor capillary pressure
By convention, positive values are assigned to the radii of curvature, r, r′, or r″, if they lie in phase α.
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
(i).- Etapa inicial, en la cual solo tiene lugar un pequeño aumento de la
consistencia al incrementar el contenido de humedad.
(ii).- Una etapa intermedia, en la cual tiene lugar un repentino aumento de
la consistencia.
(iii).- Una etapa final, la cual la consistencia disminuye bruscamente.
LAS ARCILLAS DE ACUERDO AL GRADO DE PLASTICIDAD SE CLASIFICAN EN MAGRAS Y GRASAS
ARCILLAS GRASAS SON LAS QUE POSEEN UNA GRAN PLASTICIDAD,
INCLUSO PARA PEQUEÑAS HUMEDADES. PRESENTAN EN SU CONSTITUCIÓN UNA GRAN CONCENTRACIÓN DE MINERALES
ARCILLOSOS Y UNA BAJA CONCENTRACIÓN EN ARENAS SILÍCEAS. SE MOLDEAN CON FACILIDAD, PERO SU GRAN ADHERENCIA IMPIDE EL
DESMOLDEO CORRECTO DEL PRODUCTO MOLDEADO
ARCILLAS MAGRAS SON LAS POSEEN UNA BAJA PLASTICIDAD.ESTA PLASTICIDAD SE PUEDE AUMENTAR CON HIDRÓXIDO, CARBONATO
O SILICATO SÓDICO, CON CAL, OXALATO Y HUMUS
LA MISMA SE PUEDE REDUCIR CON LA UTILIZACIÓN DE DESGRASANTES.
EN LA INDUSTRIA NORMALMENTE SE ENSAYAN DISTINTAS PROPORCIONES DE AGUA HASTA QUE CON LA APLICACIÓN DE UNA
ENERGÍA DETERMINADA, QUE ES UNA CONSTANTE DE LA MÁQUINA UTILIZADA, SE CONSIGUE EL EFECTO DESEADO: LA EXTRUSIÓN, EL PRENSADO, ETC. ESTE CONCEPTO ESTÁ INTIMAMENTE UNIDO AL DE
"TRABAJABILIDAD".
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
Se comienza amasando con agua destilada, una determinada cantidad de arcilla (150 a 200 gramos),
procurando añadir la cantidad de agua necesaria para acercarse lo más posible al límite líquido La masa así
obtenida se coloca en una espátula y se pasa a la cuchara de Casagrande
Colocada la masa en la cuchara, se abre un surco o canal con un acanalador normalizado. A continuación se
comienza a dar vueltas a la manivela, con lo cual, por medio de una excéntrica, se levanta la cuchara y se deja caer desde la altura de un centímetro. Se dan dos golpes
por segundo. Se continúa la operación hasta que las paredes del surco se unan por su fondo en una longitud de 13 mm. Si esto ocurre después de dar exactamente 25 vueltas a la manivela, el suelo tiene un contenido de
humedad correspondiente al límite líquido.
Sin embargo no será lo normal que la humedad corresponda a la del límite líquido. Se hacen dos ensayos y se determinan sus correspondientes
humedades en tantos por ciento, tomando la arcilla próxima a las paredes del surco, en la parte donde se
cerró. Para que el ensayo sea válido el número de golpes debe estar comprendido entre 15 y 35. Se ha de obtener una determinación entre 15 y 25 golpes y otra entre 25 y 35. Si después de varias determinaciones, el número de
golpes requerido para cerrar el surco fuese siempre inferior a 25 es que no se puede determinar el límite
líquido y se debe anotar dicha arcilla como no plástica.
LÍMITE LÍQUIDOCUCHARA DE CASAGRANDE
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
El ensayo se realiza con la fracción de arcilla que pasa por el tamiz de abertura 400 μm , con un contenido de humedad algo superior al límite plástico. Con esta humedad será
posible formar fácilmente una bola con el suelo sin que se resquebraje.
A continuación se toman unos 8 gramos de este suelo, se forman con el una especie de elipsoide, y se rueda entre la palma de la mano y una superficie lisa que no absorba mucha humedad, hasta llegar a un diámetro de 3 mm si al llegar a éste diámetro no ha cuarteado el
cilindro de modo que quede dividido en trozos de unos 6 mm de longitud como media, se vuelve a formar el elipsoide con menor cantidad de humedad y a rodar hasta llegar a dicho
tipo de resquebrajamiento. La arcilla se encontrará en su límite plástico cuando se cuartee a los 3 mm de diámetro.
Ensayo para la determinación
del límite plástico
DIAGRAMA DE CASAGRANDE
Límite superior experimental, hasta ahora no se ha
estudiado ninguna materia prima cuya representación se encuentre por encima de
dicha línea.
Separa las arcillas puras, sobre ella, de las que
contienen algún tipo de coloide orgánico, que están
situadas por puntos por debajo de la recta.
Separa las arcillas de alta plasticidad a la derecha de
las de media y baja plasticidad, a la izquierd
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
DIAGRAMA DE CASAGRANDE
ZONA DE PROPIEDADES
ÓPTIMAS DE LAS PASTAS ARCILLOSAS
PARA EXTRUSIÓN
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
La plasticidad de las pastas disminuye con el aumento de la cantidad de desgrasante
En el caso de la introducción de ADITIVOS ELECTROLÍTICOS se ha constatado lo siguiente:
- Los defloculantes, disminuyen el límite liquido.
- Los floculantes lo aumentan.
- El limite plástico se mantiene prácticamente constante al introducir
defloculantes o floculantes.
- Los defloculantes pueden utilizarse para disminuir la proporción agua/arcilla y por lo tanto disminuir la contracción de secado.
ARCILLAS INDUSTRIALES
Las arcillas industriales se pueden clasificar en los siguientes grandes grupos:
1.- Arcillas rojas o comunes
2.-Arcillas de cocción blanca, caolines, halloisitas y arcillas refractarias
3.- Bentonitas y tierras de Fuller
4.- Sepiolitas y paligorskitas
Cada uno de estos grupos puede también ordenarse en función de sus principales usos industriales.
Así las ARCILLAS ROJAS tienen aplicación fundamentalmente en la cerámica industrial (pavimentos, revestimientos y cerámica estructural) y alfarería, LAS
ARCILLAS DE COCCIÓN BLANCA también se emplean en cerámica industrial, los caolines en las industrias del papel y la cerámica, las halloysitas en cerámica
artística (porcelanas), LAS ARCILLAS REFRACTARIAS en chamotas para pavimentos de gres natural, LAS BENTONITAS en la industria de los absorbentes
y el petróleo, las tierras de Fuller como absorbentes industriales, y finalmente LAS SEPIOLITAS Y PALIGORSKITAS en el campo de los absorbentes
domésticos.
Composición química de las arcillas.
