Figura 1. Arcilla expansiva
(Fuente: https://aefa-agronutrientes.org/glosario-de-terminos-utiles-en-agronutricion/arcilla-expandida)
- Introducción
Las arcillas son materiales naturales repartidos en la superficie de la corteza terrestre y que, en ocasiones, pueden formar, al ser mezclados con agua, masas plásticas a partir de las cuales es factible fabricar productos cerámicos. Técnicamente, la arcilla se define como una tierra finamente dividida, constituida por agregados de silicatos de aluminio hidratados, que procede de la descomposición de minerales de aluminio. Es blanca cuando está en estado puro y puede presentar coloraciones diversas según las impurezas que posea.
Están compuestas de múltiples silicoaluminatos hidratados, contienen iones tales como potasio (K), hierro (Fe), magnesio (Mg) y sodio (Na), y otros minerales no arcillosos como feldespatos, cuarzo, anatasa, rutilo, hematita, carbonatos, entre otros. Se encuentran en la naturaleza, generalmente acompañadas por materia orgánica.
Por su parte, las arcillas expansivas (Figura 1) se caracterizan por presentar en su composición mineralógica una importante proporción de filosilicatos tipo 2:1, que les proporcionan una alta capacidad de expansión como consecuencia del emplazamiento de moléculas de agua entre las láminas de los silicatos. El agua, al adsorberse en estos suelos arcillosos, a su vez induce un incremento de volumen. Dentro del grupo de las arcillas expansivas, las más representativas son: esméctica, bentonita, montmorillonita, beidelita, vermiculita, atapulgita, nontronita y clorita.
Las arcillas expansivas se encuentran localizadas en regiones de clima árido y semiárido, donde la evaporación excede la precipitación. En el caso de Venezuela, particularmente en la parte norte costera del país (Región Caribe), de clima semiárido, se presentan condiciones favorables para el desarrollo de suelos con presencia de arcillas expansivas. En algunos sectores de los estados Miranda, Anzoátegui y Falcón, la presencia de estas arcillas es la principal causa de problemas de deterioro y deformación de algunas arterias viales e infraestructuras.
- Características y tipos de arcillas expansivas
La arcilla es una roca sedimentaria compuesta por silicatos de aluminio hidratados, provenientes de rocas ígneas. En general, su estado es de color blanco, pero según la intervención de otros componentes la podemos ver roja, verde o de color marrón como el café. Procede de rocas ígneas de granito que la naturaleza rompe por medio de la erosión. Las partículas empequeñecen gradualmente hasta que las alteraciones físicas y químicas que darán lugar a la arcilla empiezan a afectarla. El proceso es muy lento y dura millones de años.
La estructura de la arcilla consiste en apilamientos poliméricos de capas de tetraedros y octaedros. Las capas tetraédricas (capas T) están compuestas en su mayoría por Si-O, mientras que las octaédricas (capas O) de Al-O o Al-(OH).
Dentro de las arcillas expansivas, se pueden distinguir diferentes tipos según su composición mineralógica:
a) Montmorillonita. Es un mineral arcilloso del grupo de las esmectitas, conocido por su alta capacidad de expansión debido a su estructura 2:1 (dos capas tetraédricas por cada capa octaédrica). La montmorillonita es la arcilla expansiva más común y la que causa mayores problemas en la construcción.
b) Bentonita: Es una roca sedimentaria que contiene principalmente montmorillonita, por lo que comparte sus propiedades expansivas.
c) Vermiculita: también pertenece al grupo de las esmectitas y presenta una alta capacidad de expansión, aunque en menor medida que la montmorillonita.
d) Illita: Es un mineral arcilloso que también puede presentar cierta expansión, aunque su capacidad es menor que la de la montmorillonita y la vermiculita.
También se pueden clasificar según su grado de expansividad, utilizando parámetros como el límite líquido (contenido de humedad, expresado como porcentaje del peso seco de la muestra, en el cual el suelo cambia de un estado plástico a un estado líquido):
• Baja expansividad: límite líquido inferior a 35.
• Baja a media expansividad: límite líquido entre 35 y 50.
• Media a alta expansividad: límite líquido entre 50 y 65.
• Muy alta expansividad: límite líquido superior a 65.
Algunas características específicas de las arcillas expansivas son:
a) Capacidad de absorción. La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos 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). Las arcillas expansivas tienen una gran capacidad de absorción, lo que les permite expandirse significativamente al humedecerse y contraerse al secarse. Esta propiedad se debe a la estructura en láminas de sus partículas y a la presencia de minerales como la montmorillonita. La expansión y contracción pueden causar problemas en construcciones, ya que generan movimientos en el suelo que afectan las estructuras.
b) 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.
El esquema interlaminar (Figura 2) de las arcillas expansivas se refiere a su estructura interna, donde las capas de silicatos están separadas por una capa de cationes hidratados. Esta estructura es la que permite la entrada de agua entre las capas, causando la expansión de la arcilla.
Figura 2. Esquema interlaminar de las arcillas expansivas (Elaboración propia)
c) Plasticidad. La plasticidad en las arcillas expansivas (Figura 3) se refiere a su capacidad de deformarse sin romperse al absorber agua. 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.
Figura 3. Plasticidad en las arcillas expansivas (Elaboración propia)
- Extracción, procesado y usos de la arcilla expansiva
La explotación de las arcillas expansivas, normalmente, se efectúa a cielo abierto, utilizando medios mecánicos convencionales. La potencia del recubrimiento a remover varía de unos yacimientos a otro, pero generalmente, en la mayor parte de las explotaciones, son inferiores a los 15 metros.
El procesado industrial del producto de cantera viene fijado por la naturaleza y uso a que se destine. Implica un machaqueo previo, eliminación de la humedad y, finalmente, una molienda hasta los tamaños de partícula deseados. La temperatura de secado depende de la utilización posterior de la arcilla.
En consecuencia, involucra técnicas para modificar sus propiedades y controlar su comportamiento, especialmente su expansión y contracción debido a la humedad. Esto se logra mediante la estabilización química o mecánica, a menudo utilizando aditivos como cal, cemento, cenizas o materiales granulares.
La capacidad de absorción de agua de las arcillas expansivas puede ser aprovechada para impermeabilizar ciertas áreas, como estanques o canales, aunque se requiere un manejo cuidadoso para evitar problemas de expansión. También se pueden utilizar para crear barreras contra la infiltración de agua o la migración de contaminantes, e incluso en la fabricación de materiales de construcción, como ladrillos o adobes.
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