ESTRUCTURAS CRISTALINAS
La mayor parte de los materiales estructurales y tecnológicos, a excepción de la mayoría de los vidrios y los polímeros, son de naturaleza cristalina. Esto implica que poseen un arreglo ordenado repetitivo o periódico de átomos (o de iones) enlazados en las tres dimensiones.
Aunque existen siete sistemas cristalinos casi todos los materiales tecnológicos de importancia comercial presentan sistemas cúbico o hexagonal. El arreglo o disposición de los átomos desempeña un papel importante en la determinación de la microestructura y del comportamiento de un material sólido. En los metales, ciertos ordenamientos permiten una ductilidad excepcional, mientras que en otros materiales producen una gran resistencia.
El comportamiento heterogéneo de los polímeros tales como el caucho y el hule, el polietileno y el epóxico es causado por variaciones en el arreglo atómico.
En los metales, en muchos materiales cerámicos y aún en ciertos polímeros, los átomos muestran un ordenamiento general, o sea, un arreglo atómico específico distribuido por todo el material.
Los átomos forman un patrón reticular repetitivo.
La red o retícula (también llamada látice) es un conjunto de puntos denominados puntos reticulares (o nodos), los cuales siguen un patrón regular, de manera que las inmediaciones de cada punto en la red son idénticas.
Uno o más átomos se asocian con cada punto de la red. Consecuentemente, cada átomo tiene un ordenamiento particular o de corto alcance, puesto que las inmediaciones de cada punto son idénticas, así como un ordenamiento general o de largo alcance, puesto que la red se distribuye uniformemente en todo el material.
Los materiales amorfos como el vidrio y muchos polímeros presentan solo ordenamiento particular, determinado fundamentalmente por las restricciones de la unión covalente.
Los materiales cristalinos, como los metales y algunas cerámicas, tienen ordenamiento tanto particular como general. La periodicidad generalizada en estos materiales está representada por la red cristalina.
La configuración reticular difiere de un material a otro en forma y en dimensión, dependiendo del tamaño de los átomos y del tipo de enlace interatómico. la estructura cristalina de un material se refiere al tamaño, forma y ordenamiento atómico dentro de la red.
La celda unitaria es la menor subdivisión de una red que retiene las características generales de todo el retículo. Reuniendo todas las celdas unitarias idénticas se construye toda la red. Una red es un arreglo periódico de puntos en el espacio. La celda unitaria es la mínima subdivisión de una red que manifiesta las características de la misma.
Debido a la propiedad no direccional de la unión metálica, los metales puros generalmente tienen estructuras simples, con un solo átomo por punto o nodo de la red. Sin embargo, los materiales unidos de forma covalente, los unidos iónicamente y los compuestos metálicos con frecuencia presentan estructuras más complejas para poder satisfacer las restricciones impuestas por la unión, las diferencias entre el tamaño de los iones o los átomos y la valencia.
IMPERFECCIONES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS.
Hasta ahora sólo se han considerado cristales perfectos, o sea, estructuras que contienen átomos en todas las posiciones del retículo que deben estar ocupadas y que no tienen irregularidades en la periodicidad de largo alcance, o sea, fuera de la celda unitaria inmediata. Pero los cristales reales que existen en la naturaleza y en los materiales tecnológicos se apartan de la periodicidad perfecta y contienen numerosas imperfecciones o defectos.
A pesar de que los defectos cristalinos se presentan en una escala atómica(sus proporciones individuales son extremadamente pequeñas), en los cristales ordinarios se presentan cantidades extremadamente grandes de esos defectos. Por ello, las imperfecciones son responsables de una parte importante del comportamiento mecánico y físico que se observa en los materiales de ingeniería.
Todos los materiales tienen irregularidades o defectos en el arreglo de sus átomos en los cristales, los cuales tienen efectos en el comportamiento del material. Controlando las irregularidades reticulares se hacen más resistentes los metales y sus aleaciones, se obtienen vidrios de diversos colores, se producen imanes mas potentes y muchas otras características de los materiales de importancia práctica.
Los tres tipos básicos de defectos de una red son:
- de punto (puntuales)
- de línea (dislocaciones)
- de superficie
Pero debe recordarse que tales irregularidades solo representan deficiencias en un arreglo atómico perfecto y no denotan que el material en sí sea defectuoso. De hecho, tales “defectos” son incorporados intencionalmente en muchas ocasiones para producir las propiedades mecánicas y físicas deseadas.
Por ejemplo, la deformación de un metal o aleación puede explicarse en términos del movimiento de ciertas imperfecciones en la red denominadas “dislocaciones” por medio de un mecanismo conocido como deslizamiento. La facilidad con que ocurre el desplazamiento depende del tipo de estructura cristalina y del número de otras deficiencias en la red. Se puede endurecer cualquiera de las estructuras introduciendo muchos defectos en la red.
DEFECTOS PUNTUALE.
Esta categoría de imperfecciones cristalinas se conoce como defectos puntuales porque comprende sitios aislados en el retículo espacial. Aunque éstas cubren allí necesariamente un volumen o área finitas, su extensión se limita al desorden local y, en consecuencia, se tratarán como si se comportaran como un punto.
Existen tres tipos de defectos puntuales:
- vacantes (huecos)
- intersticiales
- sustitutivos
Vacantes
Esta imperfección es simplemente un sitio vacante en el retículo donde falta un átomo de su posición normal en el cristal.Las vacantes se pueden presentar durante la cristalización de los materiales por la deformación plástica o permanente de los cristales sólidos y por la radiación de alta energía.
En los metales puros, la excitación térmica produce pequeñas cantidades de vacantes. Se puede pensar en este hecho como el proceso de transportar un átomo del interior de la estructura del cristal hasta la superficie, para lo cual el calor suple la energía necesaria. A medida que la temperatura aumenta, la cantidad de vacantes en un material cristalino también se incrementa. Normalmente, menos de un punto en la red por cada millón contiene un hueco a temperatura ambiente.
Intersticiales
Esta imperfección en el retículo simplemente significa que un átomo pequeño ocupa un lugar intersticial en un retículo de átomos relativamente más grandes.
Los intersticios son los lugares desocupados que producen los arreglos de átomos (modelos esféricos) en la estructura del cristal. Los átomos intersticiales de impurezas producen un disturbio local en el retículo que depende principalmente de su tamaño, del tamaño de los átomos “huéspedes”, efectos de valencia y de la estructura del retículo “huésped”.
En las celdas unitarias cúbicas existen sitios cuádruples y séxtuples. El cuádruple (tetraédrico) implica que el lugar intersticial existe entre cuatro átomos vecinos y en el séxtuple (octaédrica) es producido por seis átomos vecinos.
Sustitutivos
Esta categoría de defecto puntual consta de átomos de impureza que ocupan posiciones del retículo en el cristal. Esencialmente, el átomo de impureza es un elemento químico diferente al resto de los átomos.
Podemos referirnos a los átomos normales del retículo como átomos “huéspedes” o especie solvente; este concepto coloca los átomos de impureza en la categoría de especie soluble.
El átomo de impureza puede ser mayor o menor que los átomos “huéspedes”.
Puesto que átomos diferentes exhiben comportamientos químicos o electrónicos distintos, hay una cierta incompatibilidad entre la impureza y sus huéspedes vecinos.
En el retículo del cristal se crea un disturbio localizado y a su vez esta perturbación afecta las propiedades físicas y mecánicas del cristal.
Cuando se consideran en masa estas imperfecciones cristalinas, se observa que hacen una contribución importante en el comportamiento de los materiales tecnológicos. A pesar de la connotación del término “defecto”, pronto veremos que esta condición de átomo de impureza puede ser beneficiosa en extremo en ciertas clases de materiales. Tanto el defecto intersticial como el sustitutivo pueden ser intencionalmente introducidos como elementos de aleación. El número de estos defectos es normalmente independiente de la temperatura.
DEFECTOS LINEALES
Esta categoría de imperfecciones cristalinas consta de defectos que son considerablemente mayores que los defectos puntuales porque se pueden extender a través del cristal en muchas distancias atómicas.
Con frecuencia se conocen estas imperfecciones como defectos lineales y constituyen una irregularidad cristalina que se extiende a lo largo de una línea que se entreteje a través de sitios de retículos adyacentes. Son imperfecciones lineales en una red que, de otra manera, sería perfecta. Estos defectos se conocen como dislocaciones.
La dislocación es una interrupción de la periodicidad de un retículo que descompone el cristal. Este tipo de defecto lineal se puede crear durante la cristalización, cuando hay desempalme en la orientación cristalográfica o una ruptura en la periodicidad del cristal que crece y también durante la deformación de los cristales en un material tecnológico sólido cuando están sujetos a fuerzas que cambian su forma permanentemente. Este tipo de deformación también se conoce como deformación plástica.
En los cristales se pueden presentar dos tipos de dislocaciones:
- de borde (o de arista)
- de tornillo (o de álabes)
Tipo de borde
La formación de una dislocación de borde consiste en la introducción o eliminación de una hilera (plano) de átomos adicionales en el retículo del cristal.
Se observa que estos átomos “adicionales” se ubican sobre un plano específico en el cristal que se conoce como el plano de deslizamiento. Este es el plano sobre el cual se puede presentar un desplazamiento de átomos bajo ciertas condiciones y de ahí la connotación de “deslizante”.El borde inferior del plano adicional representa la dislocación de borde.
Tipo de tornillo
Este defecto difiere del tipo de borde porque el desplazamiento de los átomos es paralelo a la línea de la dislocación y no perpendicular a ella.
Puede representarse mediante un corte parcial a través de un cristal perfecto y volviendo a unir el cristal desviándolo un espaciamiento atómico.
La línea a lo largo de la cual ocurre el desplazamiento representa la dislocación de tornillo.
El proceso por el cual se mueve una dislocación y causa que un metal se deforme se denomina deslizamiento.
Aunque el deslizamiento puede ocurrir en algunas cerámicas y polímeros, el proceso de deslizamiento es particularmente útil para comprender el comportamiento mecánico de los metales.
• Explica por qué la resistencia de los metales es mucho más baja que el valor calculado a partir de la unión metálica.
i se tuviera que romper una barra de hierro rompiendo todos los enlaces metálicos en la sección transversal tendría que aplicarse una fuerza muy grande. En cambio, la barra puede deformarse ocasionando deslizamiento, durante el cual solo una pequeña fracción de todas las uniones metálicas necesita romperse a la vez, requiriéndose una fuerza mucho menor para deformar la barra de hierro de esta forma
• El deslizamiento proporciona ductilidad a los metales. Si no se presentaran dislocaciones, la barra de hierro sería frágil; los metales no podrían ser conformados en formas útiles por los variados procesos de conformado de metales que existen como por ejemplo la forja y el conformado de perfiles laminados en frío.
• Se controlan las propiedades mecánicas de un metal o aleación interfiriendo el movimiento de las dislocaciones. Un obstáculo introducido en el cristal impide que se deslice una dislocación a menos que se apliquen fuerzas elevadas; en este caso, el metal debe ser más resistente.
Por lo general, la cantidad de dislocaciones en un sólido cristalino es muy grande, a menos que se hayan adoptado precauciones específicas para prevenir o reducir su cantidad. En los materiales típicos de ingeniería se encuentran cantidades extremadamente altas de estos defectos, pues no son raras las densidades de dislocación del orden de 106 a 108 líneas de dislocación /cm2.
De manera que, a pesar de su naturaleza individual de dimensiones atómicas, estas imperfecciones cristalinas pueden tener un efecto muy importante en el comportamiento de deformación de los cristales por sus enormes cantidades y su propiedad única de moverse con relativa facilidad. Los modelos de dislocación ofrecen una explicación razonable de las enormes diferencias entre la resistencia teórica e ideal de los materiales cristalinos y las resistencias reales que se observan.
Sir Nevil Mott ha dicho que el paso de una dislocación a través de un plano de deslizamiento es semejante al movimiento de una onda o arruga en una alfombra gruesa.
Una alfombra pesada, grande, puede presentar una resistencia formidable a ser halada a lo largo de un piso; pero si se hace una arruga paralela al borde y se le empuja progresivamente a lo largo de la alfombra se requiere muy poco esfuerzo. Una vez que la arruga recorre toda la longitud de la alfombra, como si fuera una onda, la alfombra completa se desplaza la dimensión de la arruga.
Defectos de superficie
Los defectos de superficie son los límites que separan a una material en regiones, cada una de ellas teniendo la misma estructura cristalina, pero diferentes orientaciones.
Los más abundantes son:
• los bordes o fronteras de grano
• los bordes de grano de ángulo pequeño
• las fallas de apilamiento
• los bordes de macla
Bordes de grano
La micro estructura de los metales y de muchos otros materiales sólidos consta de muchos granoso cristales contiguos. Un grano, por ser un monocristal, es una porción del material dentro de la cual el ordenamiento de los átomos es idéntico, pero la orientación del arreglo atómico o de la estructura cristalina para cada grano contiguo es diferente.
Un borde grano es la superficie que separa los granos individuales, siendo una zona estrecha donde los átomos no se encuentran espaciados de manera apropiada. Los átomos cercanos a los límites de los granos no tienen un espacio o arreglo equilibrado.
Si se incrementa el número de granos por unidad de volumen y por consiguiente, la cantidad de fronteras de grano, cualquier dislocación encontrará un límite de grano al solo moverse un poco, incrementándose la resistencia del metal al obstaculizar el movimiento de las dislocaciones
Bordes de grano de ángulo pequeño
Un borde de grano de ángulo pequeño es un arreglo de dislocaciones que produce una pequeña desorientación entre redes contiguas no muy efectiva para impedir el deslizamiento.
Fallas de apilamiento
Las fallas de apilamiento ocurren en algunas redes metálicas y representan un error en la secuencia de apilamiento en los planos compactos, interfiriendo en el proceso de deslizamiento.
Bordes de macla (o gemelos)
Un borde de macla es un plano que separa dos partes de un grano que tienen una pequeña diferencia en la orientación de sus planos. Ocurre durante la deformación o el tratamiento térmico de ciertos metales. Interfieren en el proceso de deslizamiento e incrementan la resistencia del metal. El movimiento de un borde de macla ocasiona también que un metal se deforme.
ARCILLAS ESTADO NATURAL DEL SILICIO
Después del oxigeno, el silicio es el elemento mas abundante en la corteza terrestre, constituyendo mas de la cuarta parte en peso de la misma. No se encuentra libre pero su dióxido, la sílice es el componente más importante de arenas y rocas.
La sílice en forma de mineral, cuarzo, se encuentra en muchas variedades entre las cuales existen algunas piedras semipreciosas, como son la amatista, el ópalo, el ónice y el ágata.
Los feldespatos, que son los minerales más abundantes, son silicatos de aluminio y sodio o potasio, Si3O8KAl, y se encuentran en todas las rocas graníticas.
El caolín puede considerarse como un compuesto de los óxidos de aluminio, hidrógeno y silicio; su fórmula puede representarse Al2O3.2H2O.2SiO2 o de la forma (SiO4)H2Al2.H2O.
La mica, el asbesto, el talco y la piedra pómez son también silicatos.
Las arcillas son por lo general, mezclas de caolín, mica, oxido de hierro y materia orgánica
MINERALES CONSTITUTIVOS DE LOS SUELOS GRUESOS.
Un mineral es una sustancia inorgánica y natural que tiene una estructura interna característica determinada por cierto arreglo especifico de sus átomos e iones. Su composición química y sus propiedades físicas o son fijas o varían dentro de límites definidos.
La estructura atómico-molecular del mineral es el factor mas importante para condicionar sus propiedades físicas.
En los suelos formados por partículas gruesas, los minerales predominantes son:
- silicatos, principalmente los feldespatos, las micas, el olivino y la serpentina.
- óxidos, cuyos principales exponentes son el cuarzo, la limonita, la magnetita y el corindón.
- carbonatos, entre los que se destacan la calcita y la dolomita.
- sulfatos, cuyos principales representantes son la anhidrita y el yeso.
ESTRUCTURAS DE SILICATO.
Las estructuras de silicato están basadas en el tetraedro de sílice. El citado tetraedro, SiO44-, se comporta como un grupo iónico; los iones oxigeno situados en los vértices del tetraedro están ligados a otros iones o grupos iónicos para satisfacer el balance de cargas. Estas estructuras se resumirán a continuación. Cuando dos iones Mg2+ se encuentran disponibles para combinarse con un tetraedro, se produce el compuesto silicato de magnesio, Mg2SiO4, también llamado “forstenita”. Los dos iones Mg2+ satisfacen los requisitos de carga y equilibran a los iones SiO44- De modo similar, los iones Fe2+ pueden combinarse con los tetraedros de sílice para producir silicatos de hierro II. El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una serie de soluciones conocidas como olivinas u ortosilicatos.
Dos tetraedros de silicato pueden combinarse compartiendoun vértice para producir un doble tetraedro o ion Si2O72-
Este grupo iónico puede combinarse entonces con otros iones para producir pirosilicatos, o sea, compuestos de doble tetraedro.
Cuando se comparten dos vértices del tetraedro se forman anillos y cadenas con la fórmula (SiO3)n2n-, donde “n” es el número de grupos SiO32- en el anillo o cadena. Muchos materiales cerámicos presentan esta estructura de metasilicatos.
Cuando la relación O:Si presenta la fórmula Si2O52-, los tetraedros se combinan para formar estructuras laminares, incluyendo la arcilla y la mica.
MINERALES CONSTITUYENTES DE LAS ARCILLAS.
Partiendo de los numerosos minerales (principalmente silicatos) que se encuentran en las rocas ígneas y metamórficas, los agentes de descomposición química llegan a un producto final: la arcilla.
El comportamiento mecánico de las arcillas se ve decisivamente influido por su estructura en general y constitución mineralógica en particular. Están constituidas básicamente por silicatos de aluminio hidratados presentando también, en algunas ocasiones, silicatos de magnesio, hierro y otros metales, también hidratados.
Estos minerales tienen casi siempre una estructura cristalina definida cuyos átomos se disponen en láminas.
Existen dos variedades de tales láminas:la silícica y la alumínica
La primera esta formada por un átomo de silicio rodeado de cuatro átomos de oxígeno, disponiéndose el conjunto en forma de tetraedro. Estos tetraedros se agrupan en unidades hexagonales, sirviendo un átomo de oxigeno de nexo entre cada dos tetraedros. Un esquema de una unidad hexagonal aparece en la figura. Las unidades hexagonales repitiéndose indefinidamente constituyen una reticula laminar.
Las laminias aluminicas estan formadas por reticulos de octaedros dispuestos con un atomo de aluminio al centro y seis de oxigeno alrededor, tal como aparece representado esquematicamente en la figura. Tambien ahora es el oxigeno el nexo entre dos octaedros vecinos, para constituir la reticula laminar.
De acuerdo con su estructura reticular, los minerales de arcilla se encasillan en tres
Grandes grupos:
- caolinitas
- montmorillonitas
- ilitas
CAOLINITAS.(Al2O3.2SiO2.2H2O o tambien Al2Si2O5(OH)4)
Están formadas por una lámina silícica y otra alumínica enlazadas iónicamente, que se superponen indefinidamente, produciendo delgadas plaquetas. La unión entre todas las retículas es lo suficientemente firme para no permitir la penetración de moléculas de agua entre ellas. En consecuencia, estas arcillas serán relativamente estables en presencia del agua.
MONTMORILLONITAS. ( (OH)4Si8Al4O20.nH2O )
Están formadas por una lámina alumínica entre dos silícicas, superponiéndose indefinidamente. En este caso, la unión entre retículas del mineral es débil, por lo que las moléculas de agua pueden introducirse en la estructura con relativa facilidad a causa de las fuerzas eléctricas generadas por su naturaleza dipolar. Esto produce un incremento en el volumen de los cristales, lo que se traduce, macrofisicamente, en una expansión. Estas arcillas, especialmente en presencia de agua, presentarán fuerte tendencia a la inestabilidad.
Se caracterizan por una sustitución isomorfa abundante y, en teoría, cada sustitución produce un mineral distinto. La sustitución isomorfa es la sustitución de uno o más iones Al3+ por iones Mg2+ en las láminas de sílice y alúmina que componen el cristal, ajustándose físicamente al espacio disponible.
La variedad de cationes que se compensan en cada sustitución multiplica aun más la variedad de montmorillonitas. Se forman generalmente en regiones ricas en rocas ferromagnesianas, tales como las volcánicas y particularmente en áreas de altas temperaturas e intensas lluvias.
ILITAS ((OH)4.Ky (Si8- y.Aly) o también (Al4.Fe4.OJO) y= 1,5)
Están estructuradas análogamente a las montmorillonitas, pero su constitución interna manifiesta tendencia a formar grumos de materia que reducen el área expuesta al agua por unidad de volumen; por ello su expansividad es menor que la de las montmorillonitas y resultan de un comportamiento mecánicamente mas favorable para el ingeniero.
La identificación de los minerales arcillosos y el examen de su estructura es esencial para comprender el comportamiento de los suelos que los contienen. El carácter de la arcilla influye mucho en el drenaje del suelo, su resistencia, compresibilidad y particularmente su reacción a los cambios de humedad. Cualquier método racional para mejorar el comportamiento de un suelo que contenga minerales arcillosos se debe basar en el conocimiento del carácter físico y químico de los mismos.
EL AGUA EN LOS MINERALES DE ARCILLA
El agua puede adoptar diferentes formas de integración dentro de los sólidos. Los minerales de la arcilla presentan una estructura mixta en la que se dan enlaces iónicos y covalentes, de Van der Waals, etc. por lo que sobre un mismo cristal o agrupación de cristales en contacto son posibles prácticamente todas las formas de unión. Se pueden considerar las siguientes:
1. Agua combinada
También llamada “agua de constitución”, se encuentra realmente en forma de grupos hidroxilos y no con la forma molecular completa de la propia agua; esta se forma solo cuando la estructura del cristal se destruye a alta temperatura.
La caolinita por ejemplo, por encima de los 683 K se descompone formando una mezcla de alúmina y sílice en una reacción irreversible:
Al2Si2O5(OH)4 Al2O3 + SiO2 + 2H2O
caolinita alúmina sílice agua
2. Agua de cristalización
A diferencia de la anterior las estructuras cristalinas no se destruyen del todo por la perdida de agua que, e general, puede tener lugar a temperaturas más bajas. La hidratación o deshidratación implica sin embargo un proceso de transformación de la estructura cristalina. Las moléculas de agua en estos casos suelen estar coordinadas solamente a los cationes. Por ejemplo en el silicato sódico se modifica la estructura cristalina al variar el grado de hidratación:
NaSiO3.9H2O rómbico
NaSiO3.6H2O monoclínico
NaSiO3.4H2O hexagonal
En los procesos de desecado/ hidratación se pasa de una a otra forma cristalina.
3. Agua de “enlace roto”
La estructura cristalina no es infinita en extensión. En los minerales de arcilla son frecuentes los cristales laminares, en cuyas láminas todos los átomos de la superficies superior e inferior tienen saturada toda su capacidad de enlace. Los átomos del borde de lámina sin embargo, solo tienen saturada su capacidad de combinación “hacia dentro” de esta. De la superficie de borde “hacia fuera” quedan tantos enlaces sin saturar como átomos ocupan dicha superficie límite (a veces enlaces enteros y a veces fraccionarios). En esos puntos podrán unirse iones y moléculas de agua orientadas por su polaridad, con fuerza débil o fuerte según el átomo a que corresponda. Las micas, por ejemplo, exponen muchos de esos puntos de enlace rotos por los bordes del cristal plano. La fuerza con que el agua es retenida por esos enlaces puede valorarse a través de una observación de la temperatura a que es necesario calentar el mineral para que el agua se desprenda.
4. Agua coloidal
Se puede considerar como una de las posibilidades de manifestarse el enlace anterior, dando lugar a uniones de naturaleza especialmente débil pero muy abundante, que alcanzan a moléculas de agua que se encuentran a cierta distancia de la superficie del cristal.
En las arcillas plásticas la presencia de esta agua es la responsable de la plasticidad de las pastas.
5. Agua absorbida
Se llama así a la que los minerales retienen globalmente al ser expuestos al aire húmedo. No tiene un significado físico- químico concreto, pues un mineral “seco”, al ser expuesto al aire húmedo, incorporara moléculas de agua a todos los puntos en cualquier unión que sea posible.
La capacidad de absorción del agua de los diferentes materiales está condicionada por la superficie específica que depende del tamaño y la forma de las mismas.
6. Agua adsorbida
Es la retenida solamente sobre la superficie de los minerales y se diferencia de la anterior en que aquella incluía a la retenida por los poros capilares de la estructura.
Dada su importancia se desarrollara en el epígrafe siguiente.
7. Agua libre
Es la no combinada, sin unir por ninguno de los tipos de uniones señalados hasta aquí. Se considera agua de “inhibición” retenida por efectos de la geometría del material.
INTERACCIONES DEL AGUA Y LA FASE SÓLIDA
Si en una vasija se mezclan volúmenes iguales de agua y arena seca, una parte del agua llenara los espacios entre los granos de arena y el exceso quedara sobre la superficie de la arena. Si la cantidad de agua se vario, siempre que sea suficiente para llenar los espacios entre los granos de arena, el efecto en esta será el mismo, variando solamente la cantidad de agua en exceso que la cubre.
Al palparla, la arena se sentirá áspera, esté seca o mojada, sin que parezca haber sido afectada por el agua. Si se mezclan volúmenes iguales de agua y arcilla montmorillonita seca, el agua desaparecerá y se formara una masa pegajosa y grasienta al tacto. Si se duplica el volumen de agua el resultado será similar la única diferencia estriba en que esta segunda masa es mas blanda que la primera.
En el caso de los minerales arcillosos se produce una reacción entre los sólidos y el agua que cambia las características de ambos; este fenómeno se llama adsorción, que es la adherencia del agua a la superficie de los suelos y tiene un efecto profundo en las propiedades físicas de cualquier suelo que contenga minerales tengan esa propiedad.
Las causas de la adsorción no son totalmente conocidas, pero indudablemente están relacionadas con las cargas eléctricas de la superficie del material.
Las cargas en las caras de los minerales arcillosos son generalmente negativas, debido a la sustitución isomorfa, pero en las aristas las cargas son positivas, habiendo áreas locales de altas y bajas cargas eléctricas.
En la mayoría de las partículas minerales con altas esfericidades y pequeñas intensidades, la carga total es pequeña. En los minerales arcillosos laminares con cargas superficiales relativamente intensas, la carga total es alta.
La molécula de agua es peculiar, debido a la asimétrica distribución de los átomos de hidrogeno (región positiva0 con respecto al átomo de oxigeno (región negativa). La molécula de agua, aunque neutra, es polar; esa molécula polar o dipolo es atraída por la superficie de los sólidos y, particularmente, por los materiales arcillosos con sus grandes cargas electrostáticas superficiales.
El agua se deposita muy cerca de la superficie de la arcilla; el agua mas próxima a la superficie esta fuertemente adherida y las moléculas están orientadas en el campo electrostático; esta agua es, aparentemente, más densa que el agua ordinaria.
La fuerza de atracción la mantiene adherida a la arcilla de tal manera que el movimiento del agua se reduce a una lenta migración paralela a la superficie. Es por estoque el agua adherida aparenta tener una mayor viscosidad que el agua ordinaria.
Alejándose de la superficie la atracción es menor y, tanto el grado de orientación como el aumento aparente de viscosidad, son menores. Esta zona de agua orientada se llama doble capa de difusión.
INTERCAMBIO CATIONICO
Los cristales de arcilla pueden cambiar los cationes adsorbidos en su película superficial; por ejemplo, una arcilla hidrogena (con cationes H+) puede transformarse en sódica si se hace que circule a través de su masa agua con sales de sodio en disolución. En realidad, lo que ocurre es un intercambio de cationes entre el agua y las partículas adsorbidas por las partículas minerales, algunas veces en reacciones rápidas. Los cationes intercambiables mas usuales son Na+, K+, Ca2+, Mg2+, H+, NH4+ y Al3+.
La capacidad de intercambio crece con el grado de acidez de los cristales, es decir, es mayor si el pH del suelo es menor; la actividad catiónica se hace notable, en general, para valores de pH menores que 7.
La capacidad de intercambio también crece con la velocidad y concentración de la solución que circula por la masa del suelo.Las propiedades mecánicas de una arcilla pueden cambiar al variar los cationes contenidos en sus complejos de adsorción pues, a diferentes cationes ligados corresponden distintos espesores de la película adsorbida, lo que se refleja sobre todo en las propiedades de plasticidad y resistencia del suelo. Por esta razón, el intercambio catiónico forzado se ha usado y se usa para tratar suelos son fines de mejorar su comportamiento mecánico.
Muchas veces es necesario realizar actuaciones sobre el terreno.
En ciertos casos los cimientos, como elementos estructurales, pueden mantenerse en perfecto estado o sin degradación apreciable y, sin embargo, el edificio presenta daños por haber variado las condiciones del terreno sobre el que se apoyaba.
Se plantea entonces la alternativa de modificar el cimiento, procediendo a un recalce, refuerzo o sustitución o intentar restituir la situación original mejorando o corrigiendo la capacidad portante del terreno. La decisión suele requerir una investigación cuidadosa y una valoración detallada de las diversa soluciones tecnológicas y de sus posibilidades de éxito.
En el supuesto de considerar de interés la mejora del terreno, se ofrecen soluciones muy diversas, entre las que están las inyecciones, que pueden ser:
• de cimentación (lechada de cemento, gel de sílice, resina)
• de relleno (bentonita- cemento, poliuretanos)
• de compactación (morteros viscosos)
NOMBRE DE LOS SUELOS Y ROCAS ARCILLOSOS
Se han dado muchos nombres a los suelos y rocas arcillosos. Muchos tienen una significación local y otros se han aplicado a suelos que tienen tal variedad en sus características que no tienen, a menudo, una significación definida; en otros casos, el nombre del suelo esta asociado a los suelos de ciertas características de una región y en otras regiones se refiere a suelos de características completamente diferentes.
Los nombres que a continuación se definen se encuentran frecuentemente en la literatura de ingeniería:
Adobe: se refiere a arcillas arenosas de plasticidad media. Estos suelos se han usado por siglos para la fabricación de ladrillos secados al sol.
Bentonita: arcilla muy plástica producto de la descomposición de cenizas volcánicas. Puede ser dura cuando esta seca, pero se expande considerablemente cuando se humedece.
Perdigón: se aplica a las arcillas que se rompen en terrenos pequeños, duros y relativamente uniformes en tamaño cuando se secan.
Arcilla: se aplica este nombre a cualquier suelo que sea capaz de mantenerse plástico con variaciones relativamente amplias de humedad. Se ha abusado mucho del término arcilla como nombre de suelo. En algunos lugares significa limo no plástico y en otros se usa para designar limos de baja plasticidad.
Tierras de batan: son suelos que tienen facilidad para absorber grasa y tintes. Son generalmente arcillas sedimentarias muy plásticas.
Cumbo: es una arcilla muy plástica de grano fino. Se siente pegajosa y grasienta al tacto y forma grandes grietas de retracción cuando se seca.
Caolín: es una arcilla blanca o rosada de baja plasticidad. Está compuesta en su mayor parte de minerales de la familia de la colinita.
Tierra arcillosa ligera: es un suelo superficial que puede describirse como un limo arenoso de baja plasticidad o una arena limosa, que es muy apropiada para hacer tejas o baldosas.
Marga: es arena, limo, arcilla depositada en agua que contiene carbonato de calcio. Frecuentemente tiene color gris claro a oscuro o verdoso y, algunas veces, contiene materia orgánica coloidal. A menudo se endurece para formar rocas blandas.
Arcillas listadas: o finamente estratificadas son depósitos sedimentarios que consisten en capas finas alternas de limo y arcilla. Corrientemente cada par de capas de limo y arcilla tiene un espesor que varia de 3 mm a 13 mm. Son el resultado de la deposición en lagos durante los periodos alternos de alto y bajo caudal de agua de las corrientes que afluyen al lago, y se forman frecuentemente en los lagos glaciales.
PRODUCTOS DE ARCILLA
Muchas cerámicas están basadas, fundamentalmente, en la arcilla, a la cual se añade un material más grueso como el cuarzo y un material fundente como el feldespato.
Estos materiales se mezclan con agua y se forma un producto, el cual es secado y horneado después. Los altos contenidos de arcilla mejoran las características de conformabilidad, permitiendo la producción de cuerpos cerámicos más complicados. Los altos contenidos de feldespato reducen la temperatura liquidus y, en consecuencia, la temperatura de horneado. En cierto modo, la sílice es un material de relleno, o sea, el cuarzo.
Los ladrillos y las losetas o mosaicos son comprimidos o extruidos para darles forma; después se secan y hornean para producir una aglutinación de material cerámico. Las temperaturas de horneado mas altas, o los tamaños originales de las partículas menores producen una mayor vitrificación, una menor porosidad y una mayor densidad. La mas alta densidad mejora las propiedades mecánicas, pero reducen las cualidades aislantes del ladrillo o de la loseta.
La loza de barro está conformada por cuerpos de arcilla horneada a temperaturas relativamente bajas; tiene poca vitrificación, la porosidad es muy alta e interconectada y la citada loza es permeable. Tales productos deben recubrirse con un vidrio impermeable. A temperaturas elevadas de horneado se producen materiales que tienen mayor vitrificación y menor porosidad, tales como la loza pétrea. Esta loza, que contiene solo de 2% a 4% de porosidad, se utiliza para tubería de albañal. La porcelana requiere de temperaturas de horneado aun mayores para lograr una vitrificación completa y prácticamente ninguna porosidad.
Muchas de las arcillas tienen excelentes características aislantes. Generalmente, los aislantes eléctricos deben tener poca porosidad; por eso las arcillas que están completamente vitrificadas, como la porcelana o el vidrio, se usan como aislantes eléctricos para altos voltajes. Los materiales refractarios deben soportar elevados esfuerzos a altas temperaturas. Los refractarios ácidos comunes incluyen a la arcilla refractaria, o sea, las cerámicas de sílice- alúmina.