PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS

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1 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

2 PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS
LAS IMPORTANTES APLICACIONES INDUSTRIALES DE ESTE GRUPO DE MINERALES RADICAN EN SUS PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS. DICHAS PROPIEDADES DERIVAN DE: 1.- SU TAMAÑO DE PARTÍCULA EXTREMADAMENTE PEQUEÑO ( < 2 mm) 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 estruc­tural tienen unos significados precisos y definen partes cada vez mayores de la disposición laminar.

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7 Estructura de la montmorillonita.
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. 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 interlami­nares 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 hinchamien­to. Espacio interlaminar Estructura de la montmorillonita.

8 ESPACIO INTERLAMINAR Estructura de la vermiculita

9 Grupos hidroxilo coordinados octaédricamente, similares a las capas octaédricas

10 Representación esquemática de la estructura de la hidromica.
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS 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. ESPACIO INTERLAMINAR CATIONES DÉBILMENTE LIGADOS Y CON ESTADO VARIABLE DE HIDRATACIÓN Representación esquemática de la estructura de la hidromica.

11 PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // 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 (m2/g). 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. - Bentonita 150 – 800 m2/g

12 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-MONTMORILLONITA) O EN LOS CANALES ESTRUCTURALES (SEPIOLITA Y PALIGORSKITA). Aspecto fibroso de la sepiolita y atapulgita Estructura de la montmorillonita

13 PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS //HINCHAMIENTO
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 COMPLETA DE LAS LÁMINAS.

14 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.

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16 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.

17 Consider a soap bubble of radius r (with gas (= air) on both sides)
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. 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,

18 PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD
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) Water film between particles leads to capillary force Claim 1: Clay is composed of fine particles Claim 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 Laplace for capillary pressure

19 By convention, positive values are assigned to the radii of curvature, r, r′, or r″, if they lie in phase α.

20 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.

21 ARCILLAS MAGRAS SON LAS POSEEN UNA BAJA PLASTICIDAD.
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".

22 PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD

23 PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD

24 LÍMITE LÍQUIDO CUCHARA DE CASAGRANDE
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 LÍQUIDO CUCHARA DE CASAGRANDE

25 PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD

26 PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD

27 PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD

28 Ensayo para la determinación del límite plástico
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

29 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 DIAGRAMA DE CASAGRANDE

30 ZONA DE PROPIEDADES ÓPTIMAS DE LAS PASTAS ARCILLOSAS PARA EXTRUSIÓN
PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS // PLASTICIDAD ZONA DE PROPIEDADES ÓPTIMAS DE LAS PASTAS ARCILLOSAS PARA EXTRUSIÓN DIAGRAMA DE CASAGRANDE

31 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.

32 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.

33 Composición química de las arcillas.