clase cristina de santiago arcillas
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Apuntes de clase de mineralogía de suelos y propiedades físico-químicas de las arcillasTRANSCRIPT
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MÁSTER EN MECÁNICA DEL SUELO E
INGENIERÍA DE CIMENTACIONES
PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE LOS SUELOS.TÉCNICAS DE ANÁLISIS
Cristina de Santiago Buey
Laboratorio de Geotecnia
CEDEX
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
INDICE
1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 1
2. LOS MATERIALES GEOLÓGICOS SON SISTEMAS DE TRES FASES:
SÓLIDO, LÍQUIDO Y GASES........................................................................................ 2
3. EL ESQUELETO SÓLIDO DE SUELOS Y ROCAS .............................................. 3
3.1. Composición de los suelos ......................................................................... 3
3.1.1. Minerales no arcillosos............................................................................ 3
3.1.2. Materia orgánica ..................................................................................... 5
3.1.3. Minerales de la arcilla ............................................................................. 6
3.1.4. Formación de arcillas en los suelos ........................................................ 9
3.2. Tamaño de partícula ................................................................................... 10 3.3. Morfología de partícula .............................................................................. 11
3.4. La superficie específica ............................................................................. 12
3.5. La carga eléctrica........................................................................................ 15
3.5.1. Carga eléctrica en la superficie de las partículas.................................. 16
3.5.2. Carga eléctrica en los bordes de las partículas .................................... 17
3.5.3. Carga eléctrica debido a sustituciones isomórficas ..............................17
3.6. La capacidad de adsorción........................................................................ 18 3.6.1. La capacidad de intercambio catiónico ................................................. 18
3.6.2. La doble capa eléctrica difusa (DCED) ................................................. 21
4. FÁBRICA Y MICROESTRUCTURA DE LOS SUELOS ...................................... 22
4.1. Fuerzas existentes entre partículas .......................................................... 22
4.2. Tipos de contactos entre partículas ......................................................... 23
4.3. Concepto de fábrica y microestructura: Floculación y dispersión........ 25
5. LAS FASES LÍQUIDA Y GASEOSA DE SUELOS Y ROCAS ............................ 28
5.1. La red porosa: macroporosidad y microporosidad. Porosidad primaria y
secundaria............................................................................................................... 29
5.1.1. Macroporosidad y microporosidad ........................................................ 29
5.1.2. Porosidad primaria y porosidad secundaria.......................................... 31
5.2. El agua asociada a suelos y rocas............................................................ 32
6. RELACIÓN ENTRE LAS PROPIEDADES GEOTÉCNICAS DE LOS
MATERIALES GEOLÓGICOS Y SUS PROPIEDADES INTRÍNSECAS .................... 34
6.1. La plasticidad en materiales arcillosos .................................................... 34
6.1.1. ¿Qué factores determinan el comportamiento plástico de un suelo? ... 35
I
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6.2. La expansividad en materiales arcillosos ................................................ 37
6.2.1. ¿Qué mecanismos intervienen en la expansividad de una arcilla? ......37
6.2.2. ¿Qué factores determinan el potencial de hinchamiento de un suelo? 38
7. TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE SUELOS.............................................................. 39
ANEJO I: BIBLIOGRAFÍA
II
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1. INTRODUCCIÓN
El comportamiento mecánico de los suelos depende fundamentalmente de su
composición, propiedades físico-químicas, estructura y fábrica. Sin embargo, durante
el desarrollo de la ingeniería geológica, no se le ha prestado la misma atención a todosestos factores: En las primeras investigaciones sobre comportamiento de suelos, se
puso especial interés en la composición granulométrica como principal índice de la
estructura del suelo. Se analizaron las relaciones cualitativas y cuantitativas entre la
distribución granulométrica y las propiedades mecánicas. Esta línea de investigación
no dio buenos resultados.
En una segunda etapa (a partir de 1940), los investigadores comenzaron a interesarse
por la composición química y mineralógica de los materiales, haciendo especial
hincapié en la cuantificación de los minerales arcillosos y su capacidad de cambio.
Considerando la composición mineralógica y química fue posible establecer
correlaciones cuantitativas entre algunas propiedades físico-químicas de los suelos y
sus parámetros de comportamiento mecánico. De todas formas, todavía quedaban
muchos enigmas por resolver. La mineralogía y las propiedades físico-químicas no
explicaban muchos de los fenómenos que tenían lugar en los materiales arcillosos.
Un tercer periodo surge en los años 60 del siglo XX, cuando no sólo se toman en
consideración la composición química y mineralógica y las propiedades físico-químicas
de las arcillas, sino que comienza a tenerse en cuenta la fábrica. A partir de estos
años y en adelante, se comienza a analizar simultáneamente composición, físico-
química, estructura y fábrica de los materiales arcillosos empezando de esta forma a
entender y justificar e incluso predecir su comportamiento mecánico (resistencia,
deformabilidad, etc.).
En la actualidad es ampliamente aceptado que la composición mineralógica es uno de
los factores que más influyen en las propiedades geotécnicas de los suelos, pero ésta
no actúa aisladamente, sino que depende también de factores físico-químicos como la
capacidad de cambio catiónico, la superficie específica, la presencia de agua de
adsorción, etc. Estos factores a su vez están condicionados por la composición
química, estructura y presencia en mayor o menor grado de defectos en la red
cristalina.
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La fábrica es otro de los factores que ejercen gran influencia en las propiedades
geotécnicas aunque su papel no haya sido reconocido hasta mucho más tarde que el
de la composición mineralógica. Gracias a autores como Terzaghi (1926), Casagrande
(1932), Lambe (1953), Mitchell (1956), entre otros, comenzaron a definirse los
conceptos de macro-, meso- y microestructura, macro-, meso- y microfábrica.
Conceptos que, con el tiempo y los avances tecnológicos, se han hecho observables y
mensurables.
Han sido numerosos los trabajos realizados estableciendo correlaciones, ya sea de
forma cuantitativa o meramente descriptiva, entre mineralogía, fábrica, propiedades
físico-químicas y propiedades geotécnicas de materiales compuestos total o
parcialmente por minerales de la arcilla. La conclusión general que se deduce de todos
ellos podría resumirse en un hecho: No se puede comprender, explicar o predecir el
comportamiento geotécnico de un material geológico si no es mediante el estudio
completo no sólo de su composición química y mineralógica sino también de su
estructura, fábrica y características físicoquímicas.
2. LOS MATERIALES GEOLÓGICOS SON SISTEMAS DE TRES FASES: SÓLIDO,
LÍQUIDO Y GASES
El suelo puede considerarse como un sistema de tres fases, un esqueleto sólido, y un
volumen de huecos, que puede estar total o parcialmente relleno de gases y vapores
y/o líquidos. Dentro del esqueleto sólido, se puede diferenciar entre las partículas de
gran tamaño químicamente poco activas (arenas y limos) y las partículas de tamaño
coloidal: arcillas, materia orgánica y óxidos, que son los componentes de la fracción
granulométrica arcilla que poseen una gran actividad físico-química. Estos
componentes de menor tamaño ejercen un papel fundamental en el suelo debido a su
capacidad de adsorber y fijar iones. También juegan un papel fundamental en la
dinámica del agua en el suelo y, dado que actúan en la formación de estructura del
suelo, determinan otras propiedades tales como la aireación, el drenaje, la
permeabilidad, deformabilidad, etc. Finalmente, es fundamental la presencia o
ausencia total o parcial de agua (grado de saturación del suelo) asociada al suelo, y
de que forma se encuentra presente. De todos estos factores se tratará a partir de
ahora de una forma más detallada.
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3. EL ESQUELETO SÓLIDO DE SUELOS Y ROCAS
El suelo constituye la interfase entre las rocas del sustrato continental y la atmósfera,
formándose como consecuencia de los fenómenos físicos, físico-químicos y biológicos
de intercambio que ahí se producen. El concepto de suelo es, por tanto, un concepto
evolutivo. Este se forma como consecuencia de un proceso dinámico, que implica un
cambio progresivo desde que la roca se pone en contacto con la atmósfera como
consecuencia de la erosión, hasta su desarrollo completo.
3.1. Composición de los suelos
Como se puede observar en la figura, aunque son muchos y muy variados los
minerales que se pueden encontrar en los suelos, los más abundantes con diferencia
son el cuarzo en las granulometrías más groseras (gravas, arenas y limos), y a medida
que se entra en las granulometrías más finas, los filosilicatos o minerales del grupo de
las arcillas, tanto primarios como secundarios (formados a partir de la alteración de
minerales primarios).
3.1.1. Minerales no arcillosos
Los minerales que componen el suelo pueden ser tan variados como lo sea la
naturaleza de las rocas sobre las que se implanta. No obstante, hay una tendencia
general de la mineralogía del suelo hacia la formación de fases minerales que sean
estables en las condiciones termodinámicas del mismo, lo cual está determinado por
un lado por el factor composicional, y por otro por el climático, que condiciona la
temperatura, la pluviosidad, y la composición de las fases líquida y gaseosa encontacto con el suelo.
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Los minerales del suelo pueden ser de dos tipos:
1) Primarios o Heredados , es decir, procedentes de la roca-sustrato que se
altera para dar el suelo, que serán minerales estables en condiciones
atmosféricas, resistentes a la alteración físico-química.
2) Secundarios : Formados durante el proceso edafológico por alteración de los
minerales de la roca-sustrato que no sean estables en estas condiciones.
Los más importantes, y los condicionantes para su presencia en el suelo serían los
siguientes:
• Cuarzo . Es un mineral muy común en los suelos, debido a: 1) su abundancia
natural en la mayor parte de las rocas; y 2) su resistencia al ataque químico. El
cuarzo confiere al suelo buena parte de su porosidad, debido a que suele estar en
forma de granos más o menos gruesos, lo que permite el desarrollo de la
porosidad intergranular. Además, es un componente muy inerte, muy poco
reactivo, del suelo. Suele encontrase en suelos poco estructurados de textura
arenosa.
• Feldespatos . Suelen ser componentes minoritarios, heredados o residuales de la
roca sobre la que se forma el suelo, debido a que son metaestables en medioatmosférico, tendiendo a transformarse en minerales de la arcilla. Al igual que el
cuarzo, conforman la fracción arenosa del suelo, si bien en este caso le confieren
una cierta reactividad.
• Fragmentos de roca . Junto con los dos componentes anteriores, conforman la
fracción comúnmente más gruesa del suelo, si bien en este caso el tamaño de
fragmentos suele ser superior a 2 cm, de forma que el cuarzo y feldespatos suelen
constituir la fracción arenosa del suelo, mientras los fragmentos de roca
constituyen la fracción de tamaño grava. La naturaleza de los fragmentos estádirectamente relacionada con la de la roca sobre la que se forma, si bien
ocasionalmente el suelo puede contener fragmentos de origen “externo”, como
consecuencia de procesos de transporte y depósito contemporáneos con la
formación del suelo. En cualquier caso, son siempre heredados, y nos permiten
identificar el origen del material geológico.
• Carbonatos . Los carbonatos son minerales frecuentemente formados por
edafogénesis, aunque debido a su alta solubilidad su acumulación no suele
producirse en el horizonte más superficial. Una excepción corresponde a lossuelos de regiones de climatología semiárida y con abundantes rocas
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carbonatadas. En estas regiones, los procesos de intercambio con el suelo suelen
ser “en ascenso”: las aguas subterráneas ricas en carbonatos ascienden hasta la
superficie del terreno por capilaridad o por gradiente de humedad, depositando ahí
los carbonatos, y originando los denominados “caliches”, auténticos escudos de
color blanco que recubren la superficie del suelo.
• Óxidos e hidróxidos de hierro, manganeso y aluminio . Los óxidos e hidróxidos de
Fe3+ (y a menudo los de aluminio y los de manganeso) son minerales que se
suelen acumular en el suelo como consecuencia de procesos de alteración de
otros minerales, constituyendo la fase estable del hierro en superficie o
condiciones cercanas a la superficie. Se acumulan en forma de agregados:
limonita (agregado de óxidos e hidróxidos de Fe), bauxita (de óxidos e hidróxidos
de aluminio); y óxidos e hidróxidos de manganeso. Desde el punto de vista
estrictamente químico son muy estables, poco o nada reactivos, pero presentan
propiedades sorcitivas que hacen que su presencia en el suelo tenga implicaciones
físico-químicas notables.
• Sulfatos . La presencia de sulfatos en el suelo suele tener la doble vertiente de que
pueden ser minerales relativamente comunes, pero al ser compuestos de
solubilidad relativamente alta, su acumulación efectiva solo puede producirse bajo
condiciones muy determinadas: abundancia de sulfatos (e.g., yesos) en el entorno
inmediato, y clima árido o semiárido. En estas condiciones, y al igual que loscarbonatos, los sulfatos podrán acumularse en forma de costras o eflorescencias.
• Otros minerales . Aparte de los descritos, el suelo puede contener una amplia gama
de minerales, en unos casos heredados, en otros formados, todo ello en función de
los condicionantes ya mencionados: naturaleza de la roca-sustrato, y factores
climáticos. Su importancia e interés pueden ser muy variables.
3.1.2. Materia orgánica
La materia orgánica que contiene el suelo procede tanto de la descomposición de losseres vivos que mueren sobre ella, como de la actividad biológica de los organismos
vivos que contiene: lombrices, insectos de todo tipo, microorganismos, etc. La
descomposición de estos restos y residuos metabólicos da origen a lo que se
denomina humus . En la composición del humus se encuentra un complejo de
macromoléculas en estado coloidal constituido por proteínas, azúcares, ácidos
orgánicos, minerales, etc., en constante estado de degradación y síntesis. El humus,
por tanto, abarca un conjunto de sustancias de origen muy diverso, que desarrollan un
papel de importancia capital en la fertilidad, conservación y presencia de vida en lossuelos. A su vez, la descomposición del humus en mayor o menor grado, produce una
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serie de productos coloidales que, en unión con los minerales arcillosos, originan los
complejos organominerales, cuya aglutinación determina la textura y estructura de un
suelo. Estos coloides existentes en el suelo presentan además carga negativa, hecho
que les permite absorber cationes H+ y cationes metálicos (Ca2+, Mg2+, K+, Na+) e
intercambiarlos en todo momento de forma reversible; debido a este hecho, los
coloides también reciben el nombre de complejo absorbente.
3.1.3. Minerales de la arcilla
Son minerales también muy abundantes en el suelo, constituyendo la matriz general
del mismo, la componente intergranular entre la fracción arenosa y los fragmentos de
roca. Son minerales que en general proceden de la alteración de los que componen la
roca sobre la que se producen los procesos de meteorización, y en función de ello
pueden ser muy variados:
• Micas-Illitas que se forma a partir de feldespatos y micas de rocas ígneas,
sedimentarias o metamórficas
• Cloritas , que se forma a partir de los minerales ferromagnesianos que pueda
contener la roca: biotita, anfíbol, piroxeno, olivino
• Pirofilitas , que puede formarse a partir de minerales ricos en aluminio en la
roca original
• Menos comunes son los filosilicatos del grupo de las arcillas especiales
(esmectita-bentonita, sepiolita, palygorskita ), que se forman bajo condiciones
climáticas muy específicas, o a partir de rocas de composición muy
determinada, y que por sus características especiales confieren al suelo
propiedades mecánicas diferentes a las habituales (suelos expansivos, suelos
instables). Los minerales de este grupo juegan un papel muy importante en la
textura y en la físico-química del suelo, pues le confieren plasticidad,
impermeabilidad, así como otras propiedades mecánicas y de relación entre el
suelo y el agua que contiene, en especial en cuanto a la capacidad deadsorción e intercambio iónico que pueda presentar. Hablamos en mayor
detalle de estas capacidades más adelante.
El tamaño de los minerales arcillosos suele ser muy pequeño, inferior a dos micras,
aunque existen cristales de todos los tamaños, hasta centimétricos. Son los minerales
más abundantes en la superficie de la tierra, formando parte de los suelos y rocas
sedimentarias de grano fino.
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Las arcillas determinan la plasticidad del suelo, su capacidad de retener agua y
nutrientes y la disponibilidad de sustancias químicas para el desarrollo de las plantas.
3.1.3.1 Estructura de los minerales de la arcilla. Clasificación
Los minerales de la arcilla son silicatos hidratados de aluminio. Se clasifican dentro delgrupo de los filosilicatos, caracterizados por su estructura en capas. Existe una amplia
gama de familias de minerales con propiedades físicas y químicas muy diversas,
aunque la mayoría tienen en común hábitos con morfologías aplanadas y exfoliación
perfecta entre laminas, como consecuencia de su estructura en capas.
Las unidades estructurales más pequeñas que definen la red cristalina de los
minerales arcillosos son dos: el tetraedro y el octaedro (Figura 1). Los tetraedros
presentan en sus cuatro vértices, átomos de oxígeno y alojan generalmente en el
centro un átomo de silicio. Éstos se unen compartiendo los tres oxígenos de la base
del tetraedro (oxígenos basales), de manera que forman una capa continua
denominada capa tetraédrica. Los octaedros están definidos por seis iones hidroxilo
rodeando a un catión de aluminio (Al3+) o magnesio (Mg2+) principalmente. En menor
proporción, estos octaedros también pueden alojar Fe3+ o Fe2+ y, más raramente, Li+,
Mn2+, Cr2+, Ni2+, Cu2+ o Zn2+. A su vez, estos octaedros se unen compartiendo algunas
de sus aristas para formar una capa continua octaédrica.
Figura 1: a) Tetraedro y capa tetraédrica. B) Octaedro y capa octaédrica
Las arcillas son filosilicatos y como tales, su estructura se basa en el apilamiento de
capas de coordinación tetraédrica con capas de coordinación octaédrica. Los oxígenos
tetraédricos que no son compartidos con otros tetraedros (oxígenos apicales) forman
parte de los octaedros adyacentes uniéndose así estructuralmente ambas capas
(Figura 2). Por ello, la capa octaédrica presenta en sus bordes los oxígenos apicales
que comparte con la capa tetraédrica más algunos grupos hidroxilo.
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La clasificación de las arcillas se basa en la forma en que las capas tetraédrica y
octaédrica se unen para formar una lámina. De esta forma, existe el grupo de arcillas
de estructura 1:1 (T-O) donde la unidad estructural consiste en una capa tetraédrica
unida a una capa octaédrica. Por otro lado, el grupo de arcillas de estructura 2:1 (T-O-
T) se basa en el apilamiento de dos capas tetraédricas rodeando una capa octaédrica.
Figura 2: a) Lámina de tipo 1:1 ó t-o; b) Lámina de tipo 2:1 ó t-o-t
Si todos los huecos octaédricos están
ocupados, la lámina se denomina
trioctaédrica (siendo el Mg2+ el catión
dominante en la capa octaédrica). Si,
por el contrario, sólo dos tercios de las
posiciones octaédricas están ocupadas
y el tercio restante está vacante, la
lámina se denomina dioctaédrica
(siendo el Al3+ el catión octaédrico
dominante).
Además, en algunos filosilicatos lasláminas no son eléctricamente neutras
debido a sustituciones de unos
cationes por otros de distinta carga
(sustituciones isomórficas) o presencia
de defectos en la red cristalina. El
exceso de carga generado se
compensa mediante la presencia de cationes en el espacio interlaminar (espacio
existente entre dos láminas consecutivas). Estos cationes interlaminares pueden seraislados e individuales (grupo de las micas) o pueden estar hidratados (grupo de las
esmectitas, cloritas hinchables, vermiculitas). Los cationes interlaminares más
frecuentes son: Na+, K+, Mg2+ y Ca2+. Un caso especial es el grupo de las cloritas, en el
cual el espacio interlaminar es ocupado por una capa octaédrica completa. A este
grupo se le denomina T-O-T-O ó 2:1:1.
También son arcillas la sepiolita y la paligorskita, a pesar de presentar diferencias
estructurales con el resto de los filosilicatos. Estructuralmente, estos minerales están
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formados por láminas discontinuas T-O-T. A diferencia del resto de los filosilicatos, que
son laminares, éstos muestran hábito fibroso.
En la Tabla I se muestra esquemáticamente una clasificación de los grupos de
minerales de la arcilla existentes en función del carácter dioctaédrico o trioctaédrico y
de su estructura laminar.
TABLA I: CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES DE LA ARCILLA.
LÁMINA DIOCTAÉDRICOS (Al3+) TRIOCTAÉDRICOS (Mg2+)
T-O (1:1)
CANDITAS
Halloisita
CaolinitaNacrita
Dickita
SERPENTINAS AntigoritaCrisotilo
LizarditaBertierina
T-O-T (2:1)
PirofilitaESMECTITAS
VermiculitasIlitasMicas
MontmorillonitaBeidellitaNontronita
MoscovitaParagonita
TalcoESMECTITAS
VermiculitasIlitasMicas
SaponitaHectoritaEstevensita
BiotitaFlogopita
T-O-T-O (2:1:1) CLORITASFIBROSOS Paligorskita Sepiolita
3.1.4. Formación de arcillas en los suelos
Una cuestión importante en la formación del suelo es la génesis de los minerales más
característicos del mismo: las arcillas. Estas se forman en la naturaleza mediante tres
procesos de génesis diferentes:
• Neoformación : Por precipitación directa en el seno de agua dulce (cuencas
intracontinentales) o salada (fondos marinos). La composición mineralógica del
sedimento originado depende de las condiciones físico-químicas del medio en
durante la precipitación y sedimentación (TºC, pH, salinidad, etc.)
• Heredados : Residuos de la roca original (como las micas de los granitos),
cristalizados desde el origen de la roca y no alterados por los diversos agentes
erosivos físicos o químicos.
• Transformación mineral : En concreto, la formación de los minerales de la arcilla
en este ambiente está íntimamente ligada a reacciones de hidrólisis de los
minerales silicatados de las rocas. El CO2 disuelto en el agua de lluvia o de los
ríos puede desencadenar una serie de procesos hidrolíticos:
CO2 + H2O ⇒ H2CO3
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El ácido carbónico así formado reacciona con los feldespatos, induciendo la formación
de minerales del grupo de la arcilla. A continuación se ilustra este tipo de reacciones
con tres ejemplos conducentes a la formación de caolinita, Al2Si2O5(OH)4:
• Hidrólisis de anortita (plagioclasa cálcica):
CaAl2Si2O8 + 2 H2CO3 + H2O ⇒ Ca2+ + 2 HCO3- + Al2Si2O5(OH)4
• Hidrólisis de la albita (plagioclasa sódica):
2 NaAlSi3O8 + 2 H2CO3 + 9 H2O ⇒ 2 Na+ + 2 HCO3- + Al2Si2O5(OH)4 + 4 H2SiO4
• Hidrólisis de la ortoclasa (feldespato potásico):
2 KAlSi3O8 + 2 H2CO3 + 9 H2O ⇒ 2 K+ + 2·HCO3- + Al2Si2O5(OH)4 + 4·H2SiO4
Caolinita
3.2. Tamaño de partícula
Los suelos constituyen un medio perfectamente organizado de partículas minerales y/o
orgánicas ensambladas cuyo tamaño cubre un rango de al menos seis órdenes de
magnitud. Por ello, cuando se estudia una muestra en un laboratorio de geotecnia, se
considera básico y prioritario analizar en primer lugar la distribución de éstas partículas
por tamaños estableciendo las fracciones predominantes que realmente son las que
determinan el comportamiento geotécnico de los materiales: su densidad, plasticidad,
permeabilidad, etc.).
En 1912, Atterberg propuso una de las primeras clasificaciones de suelos en función
de la granulometría, que todavía hoy es reconocida y aceptada en todo el mundo. A
ésta le siguieron numerosas propuestas de clasificaciones mucho más detalladas
como la de MIT (Massachussets Institute of Technology) en 1930, ISSS (International
Soil Science Society) en 1966, USDA (United States Department of Agriculture) en
1975, CSSC (Canadian Soil Survey Committee) en 1978, ASTM (American Society for
Testing Materials) en 1985, AFNOR (Association Française de Normalisation) en 1987.
La realidad es que al margen de que se utilice una u otra clasificación, existen dos
prototipos de comportamiento de suelos, en función de los tamaños predominantes en
su granulometría.
• Las partículas de tamaño más grosero resultan ser físico-químicamente inertes,
e inducen un tipo de comportamiento en el suelo más basado en la geometría
de las partículas, la relación entre sus tamaños y morfologías, así como de lostamaños y morfologías de los poros que albergan entre las mismas. El
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comportamiento geotécnico de estos materiales “granulares” presenta una
característica común a todos ellos: sus propiedades presentan una fuerte
dependencia en el grado de compacidad de las partículas, traducido en una
densidad o porosidad geométricamente coherente con los tamaños
predominantes de partícula y los esfuerzos a los que se encuentran sometidos
en la naturaleza o el laboratorio.
• Las partículas denominadas “finas” (limos y arcillas) son mucho más sensibles
a la interacción con el agua y con los iones que se encuentran disueltos en ella.
El comportamiento de los suelos de grano fino se encuentra fuertemente
determinado por las fuerzas atractivas de Van der Waals existentes entre las
partículas, o las fuerzas electrostáticas que hacen actuar a éstas en presencia
de los iones del suelo, modificando la distribución de cargas en el suelo, y por
tanto la fábrica, la porosidad, y densidades resultantes. El pequeño tamaño de
partícula y las fuerzas físico-químicas existentes en estos suelos “cohesivos”
los hacen interactuar con el agua provocando comportamientos no observados
en los suelos granulares, que resultan inertes al agua.
3.3. Morfología de partícula
La morfología de las partículas es una característica inherente al suelo que juega un
papel fundamental en su comportamiento mecánico. La caracterización de la
morfología de las partículas depende de la escala.
• A gran escala las partículas pueden describirse como esféricas, redondeadas,
laminares, elípticas, elongadas, etc.
• A menores escalas, la textura de la superficie de las partículas refleja la
rugosidad, suavidad y redondez de bordes y ángulos de las mismas.
Se muestran en la figura 3 algunos gráficos que ayudan a describir o clasificar la
morfología de las partículas en función de las dimensiones máxima, mínima e
intermedia, su redondez o esfericidad.
En general, la mayoría de las partículas minerales en la naturaleza, a excepción de las
arcillas, presentan una morfología de bloque no equidimensional, resultando
ligeramente elongadas, o tabulares.
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TABULARU OBLATO
ESFEROIDAL
ISÓTROPO
I II
III IV
PROLATOO ELONGADO
ACICULAR
APLANADO
0 2/3 1.0
Dimensión corta / intermedia
D i m
e n s i ó n
m e d i a /
l a r g a
1.0
2/3
0
0.3
0.5
0.7
0.9
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
Redondez
Gráfico de esfericidad y redondez(Krumbein and Sloss, 1963)
d
d a
c i
Figura 3: Morfología de partículas. Redondez, esfericidad
Algunos minerales como el cuarzo, granate, algunos feldespatos, etc. Presentan una
morfología equidimensional o isótropa que puede oscilar entre cúbica y esférica en
función del grado de redondez que muestren en superficie.
Por el contrario, las arcillas se caracterizan por presentar una morfología laminar (e
incluso tubular o fibrosa en caso de crisotilos, sepiolitas, paligorskitas, etc.) que ejerce
una fuerte influencia sobre propiedades como la plasticidad, resistencia al corte o
capacidad de compactación (por ejemplo, la morfología laminar de las arcillas, junto
con su capacidad de albergar agua entre las láminas, son las razones de su
comportamiento plástico, capacidad de deslizamiento y su baja resistencia).
3.4. La superficie específica
Se denomina superficie específica al área de la superficie por unidad de masa (m2 /g).
Las arenas y gravas, al ser las partículas de mayor tamaño y morfología esférica o
pseudoesférica, presentan una superficie específica muy baja. Por el contrario, la
tendencia de los minerales de la arcilla a formar cristales de morfología laminar y de
tamaño muy pequeño hace que su superficie específica sea generalmente bastante
elevada.
La superficie de las partículas presenta una alta reactividad físico-química con el
medio, lo que implica la existencia de fenómenos como la adsorción de cationes ymoléculas de agua en superficie. Como consecuencia directa de esta característica
E s f e r i
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todas las propiedades que dependen de la superficie del cristal tendrán una
importancia decisiva en el comportamiento físico-químico y mecánico del material
arcilloso. La superficie específica (m2 /g) de las partículas depende de dos factores:
• Morfología de las partículas: La superficie específica aumenta cuanto más se
aleja la morfología de la equidimensionalidad: Esfera < Lámina < Fibra
• Tamaño de partícula: La superficie específica aumenta al disminuir el tamaño
de partícula.
A continuación se muestran las fórmulas que expresan el volumen y área de una
partícula en función de su morfología, así como el número de partículas que cabrían
en un gramo de suelo y la superficie específica (Σ superficies de todas las partículas
que caben en un gramo de suelo). Tanto en placas como en fibras, la dimensión
menor (X) es al menos la décima parte de 2R.
Esfera Cubo Placa Fibra
Volumen de la
partícula3
3
4 Rπ 3
8 R 34·2·2 XR XR R R =
32·2··2 R X XR XR R =
Número de
partículas/gramo ρ π
3
34
1
R
ρ 3
8
1
R
ρ 3
4
1
XR
ρ 32
2
1
R X
Área de la
partícula2
4 Rπ 224 R
( ) ( )
( )222
2
8188
·242·2
R X XR R
XR R R
+=+
=+
( ) ( )
( )2
2
2·4
22··4
XR X
XR R XR
+
=+
Superficie
específica =
Σáreas/gramo ρ ρ π
π
R R
R 343
3
4
2
= ρ ρ R R
R 3
8
243
2
= ( ) ( )
ρ ρ XR
X
XR
R X 21
4
813
2+
=+
( ) ( )
ρ ρ XR
X
R X
XR X +=
+ 4
2
2432
2
En la siguiente tabla se repiten los cálculos considerando valores reales de arenas y
arcillas:
• Arena: peso específico: 2.65. Densidad seca aparente: 1.6 g/cm3
• Arcilla: peso específico:2.50. Densidad seca aparente: 1.2 g/cm
3
• La dimensión XR puede oscilar entre 2R/10 (caolinita) y 2R/1000 (esmectita).
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SUPERFICIE ESPECÍFICA DE LAS PARTÍCULAS. MORFOLOGÍA
DATOS: Esfera Placa Placa 2
Peso específico de partículas 2.65 2.5 2.5
2R (cm): 0.1 1.00E-04 1.00E-05
Relación XR/2R: 1 0.1 0.01
Volumen de la partícula (cm3): 0.0005236 1E-13 1E-17
Nº de partículas/gramo (1/gr): 720.701629 4E+12 4E+16
Área de la partícula (cm2): 0.03141593 2.4E-08 2.04E-10
Superficie específica (cm2/gr): 22.6415094 96000 8160000
Superficie específica (m2/gr): 0.00226415 9.6 816
COMPARACIÓN EN VOLUMEN: Arena Caolinita Montmorillonita
Volumen (cm3):
10 10 10
Densidad seca (gr/cm3) 1.6 1.2 1.2
Peso (gr): 16 12 12
Número de partículas: 11531.2261 4.80E+13 4.80E+17Superficie específica total (cm2): 362.264151 1.15E+06 9.79E+07
Superficie específica total (m2): 0.03622642 115.2 9792
En la figura 4 se observa que simplemente con disminuir el tamaño de partícula,
manteniendo la morfología, la superficie específica aumenta de una forma importante.
Pero este aumento no es el mismo en partículas isótropas o fuertemente laminares. En
estas últimas, el aumento de superficie específica es considerablemente mayor. Así se
puede resumir que la superficie específica aumenta cuanto más pequeña es lapartícula y mas se aleja de la isotropía.
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Figura 4: Variación de la superficie específica con el tamaño en partículas isótropas y laminares.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 7
Número de partículas
S u p e r f i c i e e s p e c í f i c a ( m 2 )
0
Arcillas
Arenas
En la siguiente tabla se exponen ejemplos de superficies específicas de arcillas:
Mineral Superficie específica (m2 /g)Caolinita de elevada cristalinidad 15 m2 /gCaolinita de baja cristalinidad 50 m2 /gHalloisita 60 m2 /gIllita 50 m2 /gEsmectita 80-300 m2 /gSepiolita 100-240 m2 /gPaligorskita 100-200 m2 /g
3.5. La carga eléctrica
Las partículas de tamaño arcilloso (< 2μ) que se encuentran en el suelo, ya sean
minerales arcillosos, o partículas de materia orgánica o de óxidos e hidróxidos,
presentan una carga eléctrica que provoca una atracción sobre los iones de carga
contraria presentes en el medio de dispersión (agua del suelo). La carga eléctrica en
los minerales arcillosos tienen tres posibles orígenes:
• En las superficies de las partículas, la carga eléctrica es netamente negativa
SIEMPRE, debido únicamente a la presencia de los iones O2-
y (OH)-
. Estacarga eléctrica existe en TODAS las partículas arcillosas, inclusive en las
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eléctricamente neutras. Los coloides de humus (materia orgánica) también
muestra una carga eléctrica negativa permanente en superficie.
• En los bordes de los cristales y superficies externas e imperfecciones de la red
cristalina: Carga eléctrica dependiente del pH, siendo generalmente alta a
valores altos de pH.
• Debido a sustituciones isomórficas en la estructura cristalina: es independiente
del pH. Típico de las esmectitas, vermiculitas, illitas y micas.
3.5.1. Carga eléctrica en la superficie de las partículas
Aun en el caso de que las láminas
arcillosas resulten ser eléctricamente
neutras, la presencia de iones OH- y
O2- en sus superficies externas,
confiere a la superficie arcillosa una
carga eléctrica neta negativa con
capacidad de atrapar y fijar mediante
adsorción diversos cationes de
cambio, así como moléculas de agua.
Por otro lado, la molécula de agua, aunque es eléctricamente
neutra, presenta también un momento dipolar constante. Debido a
este momento dipolar, las moléculas de agua pueden rodear iones
tanto de carga positiva (orientando su polo negativo hacia el catión)
como negativa (orientando su polo positivo hacia el anión),
hidratándolos. De igual forma, las moléculas de agua pueden
adherirse a las superficies de las partículas arcillosas orientando
sus polos positivos (H
+
) hacia la superficie del mineral fijándose aésta mediante puentes de hidrógeno. De esta forma, las moléculas
de agua se disponen sobre la superficie creando una película más o
menos continua en torno a la partícula.
Esta es la razón de la fuerte tendencia que presentan las partículas arcillosas a
hidratarse, mediante la creación de una capa de más o menos moléculas de agua de
espesor, tapizando la superficie de las partículas arcillosas, favoreciendo el
deslizamiento de unas con respecto a otras en presencia de un fuerza externa. Este esel fenómeno de la plasticidad
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3.5.2. Carga eléctrica en los bordes de las partículas
En los bordes de la partícula, la carga eléctrica
se debe principalmente a la presencia de
enlaces insaturados. Estas zonas muestran un
comportamiento anfótero, y por tanto el signo
de la carga eléctrica depende principalmente
del pH del medio. Así, en pH ácido, la carga
eléctrica del borde es positiva. Sin embargo,
para un pH mayor (medios alcalinos), la carga
eléctrica del borde se hace negativa. Ello hace
que un material arcilloso pueda sufrir fuertes
modificaciones de fábrica y por tanto de
comportamiento, si cambia drásticamente el pH
del medio.
3.5.3. Carga eléctrica debido a sustituciones isomórficas
En determinados
minerales arcillosos se
produce una sustitución
de un catión de la
estructura por otro de
carga eléctrica diferente.
Esta sustitución no llega
a ser tan importante
como para producirse un
cambio en la estructura neta y por tanto una transformación mineralógica, ni siquieramorfológica, por ello se denominan sustituciones isomórficas. Sin embargo, sí se
producen pequeñas distorsiones en torno a la posición atómica donde se produce el
cambio, debido fundamentalmente a que el catión entrante normalmente no tiene el
mismo tamaño ni la misma carga eléctrica. Las sustituciones isomórficas más
habituales son: En la capa tetraédrica: Al3+ X Si4+
En la capa octaédrica: Mg2+ o Fe2+ X Al3+
La entrada de un catión de menor carga en la estructura genera una descompensacióneléctrica neta que se traduce por un aumento de carga eléctrica negativa en superficie.
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Este fenómeno es la causa fundamental de generación de carga eléctrica en las
arcillas del grupo de las esmectitas, vermiculitas, illitas y micas.
En la siguiente tabla se muestran valores característicos de carga eléctrica de
diferentes minerales arcillosos desglosando que porcentaje de la carga es constante
(independiente del pH, debido a sustituciones isomórficas) o variable (dependiente del
pH: en superficies y bordes de partícula):
MineralCarga negativa
(cmol(+)/Kg)Constante
(%)Variable
(%)
Gibsita 6 0 100Caolinita 7 43 57Halloisita 18 33 67
Esmectita 118 95 5Vermiculita 85 100 0Mica 19 60 40
3.6. La capacidad de adsorción
ADSORCIÓN es un fenómeno por el cual una sustancia (iónica o no), atraída por
fuerzas de diferente naturaleza, se adhiere a la superficie de otra por un periodo más o
menos corto. Según la naturaleza de estas fuerzas que intervienen en la unión y según
la sustancia, existen tres tipos de adsorción:
• Intercambio iónico: Fuerzas electrostáticas con iones
• Fisisorción: Fuerzas débiles de van der Waals con moléculas orgánicas o iones
• Quimisorción: Fuertes fuerzas covalentes o electrostáticas de corto rango con
moléculas orgánicas o iones.
3.6.1. La capacidad de intercambio catiónico
La capacidad de intercambio catiónico (CEC: Cation Excange Capacity) se puededefinir como la suma de todos los cationes que un mineral puede adsorber a un
determinado pH. Es equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral,
dado que la cantidad de cationes adsorbidos tienden a compensar la carga negativa
neta de la partícula arcillosa. Las fuerzas que intervienen son predominantemente
electrostáticas. Los procesos son reversibles, pudiendo un catión ser atrapado durante
un periodo de tiempo y posteriormente liberado a cambio de otro catión del medio, si
las condiciones lo propician.
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A continuación se resumen algunos ejemplos de capacidad de intercambio catiónico:
Mineral CEC (meq/100g)Caolinita 3-5
Halloisita 10-40Illita 10-50Clorita 10-50Esmectita 80-200Vermiculita 100-200Sepiolita-Paligorskita 20-35
La carga negativa neta de la lámina arcillosa determina su capacidad de fijar cationes
mediante fuerzas electrostáticas. Pero no sólo es importante el valor neto de la carga
eléctrica generada. La densidad de la carga eléctrica en superficie es el parámetro
determinante en el comportamiento eléctrico de la partícula total con el entornocatiónico que le rodea. La densidad de carga en superficie es la cantidad de carga
eléctrica correspondiente a la unidad de superficie y se expresa matemáticamente:
σ = CEC / S
donde CEC es la capacidad de intercambio catiónico en Coulombios/g ( 1 meq = 96.5
Coulombios) y S es la superficie específica en m2 /g. Como se deduce de la expresión
anterior, un material arcilloso con un valor fijo de CEC puede presentar diferentes
valores de densidad de carga en superficie, dependiendo de su superficie específica,
esto es, del tamaño de partícula.
La fuerza de enlace con que los iones son retenidos o adsorbidos en los lugares de
cambio depende de factores como la valencia y tamaño del ion, densidad de carga,
estructura y superficie específica del material, concentración relativa de los cationes
presentes, y contenido de agua en el sistema (efecto dilución).
Para estudiar la interacción entre los diferentes iones y con la superficie de las arcillas
se define el Potencial iónico : el potencial eléctrico que existe a nivel de la capa más
externa del ión F = C/R
Donde: F: Potencial iónico del ión anhidro o solvatado (hidratado)
C: Carga del ión
R: Radio iónico del ión anhidro o solvatado
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
Al hidratarse un ión cambia su radio y por lo tanto su potencial iónico, es decir,
modifica el potencial que tenía como ión anhidro. Los iones de menor radio iónico
deshidratado adsorben mayor número de moléculas de agua, adquiriendo un mayor
radio iónico hidratado y por lo tanto un menor potencial iónico. En la figura 5 se
muestra como varían las propiedades de los cationes en función del radio iónico, para
una valencia constante.
Figura 5: Propiedades en función del radio iónico
Según la teoría de Gouy-Chapman los iones de
igual carga son adsorbidos con igual fuerza
sobre la superficie sólida cargada. Sin embargo,
el radio hidratado determina la fuerza de
adsorción del ion, siendo más fuertemente
retenidos los de menor radio hidratado. La
atracción por los cationes será mayor cuanto más pequeño sea el radio del ión
hidratado y cuanto mayor sea su carga eléctrica. Por lo tanto, cuanto mayor sea su
potencial iónico (carga/radio) el ión será adsorbido con mas fuerza.
Asumiendo que las fuerzas de enlace con los iones adsorbidos son electrostáticas y
que bajo las condiciones ordinarias los iones adsorbidos están hidratados, los cationes
con radios hidratados más pequeños se acercarán a los lugares de carga negativa
más fácilmente y serán retenidos con más fuerza que un catión de mayor radio
hidratado. Por otro lado, los iones multivalentes son adsorbidos más fuertemente que
los monovalentes. Todos estos parámetros de comportamiento se resumen en un
ordenamiento de los cationes en función de la afinidad que muestran las arcillas por
adsorberlos.
La serie Liotrópica o de Hofmeister:
Li+ < Na+ < K+ < NH4+ < Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+ < Al3+ < H+
Algunos cationes pueden ser fijados irreversiblemente en las arcillas. Tal es el caso de
los cationes de gran tamaño no hidratado (NH4+, K+, Li+), por su pequeño radio
fuertemente hidratado y del Mg2+, que forma parte de la red mineral.
De la figura 5 se pueden deducir algunos puntos fundamentales para comprender elcomportamiento de los materiales arcillosos:
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
• La presencia de cationes mono o divalentes produce una marcada diferencia
en las cantidades de agua adsorbida y, por lo tanto, en la expansión entre las
láminas.
• También definen la fábrica, que resultará ser más floculada o dispersa en
función del catión predominante (ver apartado 5.3). El grado de floculación
define la porosidad del material resultante.
Como ejemplo, destacar cómo varía el comportamiento de una esmectita en función
de que tenga Mg2+ (ligeramente expansiva), Na+ (expansiva) o Li+ (muy expansiva).
3.6.2. La doble capa eléctrica difusa (DCED)
La suma total de descompensaciones
eléctricas en la partícula se traduce en la
formación en superficie de la denominada
Doble Capa Eléctrica Difusa (DCED),
compuesta por una capa de carga negativa
situada justo en la superficie de la partícula,
rodeada por una capa exterior de carga
opuesta que tiende a compensar la de la
primera capa. Como en general las
partículas arcillosas presentan en las
superficies una carga neta negativa, esta
última capa estará constituida en su
mayoría por cationes.
Figura 6: DCED en pH ácido (bordes (+)), y pH básico (bordes (-))
Los bordes, sin embargo, pueden presentar carga positiva o negativa en función del
pH. Ello condicionará la presencia de cationes (+) o aniones (-) en la DCED de los
bordes.
Otra característica que presenta la DCED es su carácter difuso ya que los iones que la
componen, están sometidos a la acción de dos fuerzas simultaneas:
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
• Las fuerzas de atracción electrostática, que los mantienen en las cercanías
de la partícula.
• Las fuerzas osmóticas, que tienden a producir una difusión de los cationes
hacia el seno del fluido del interior de los poros, de concentración menor. Un
incremento en la concentración salina del medio fluido de los poros implicaría
una disminución de las fuerzas osmóticas y la consecuente disminución del
espesor de la DCED.
4. FÁBRICA Y MICROESTRUCTURA DE LOS SUELOS
4.1. Fuerzas existentes entre partículas
Cuando dos partículas se acercan como consecuencia de su movimiento Brownianoen el seno de un fluido, se producen entre ellas dos tipos de fuerzas:
Fuerzas de atracción de tipo Van der Waals. Aunque estas fuerzas entre átomos
son muy débiles y decaen muy rápidamente con la distancia (son inversamente
proporcionales a la séptima potencia de la distancia), son de carácter aditivo, lo que
significa que la suma de todas las fuerzas de atracción entre todos los pares de
átomos puede llegar a ser de mucho mayor rango. Además de las fuerzas de Van der
Waals, existen fuerzas de atracción de tipo electrostático inversamente proporcionales
al cuadrado de la distancia entre partículas. Estas fuerzas pueden originarse entre la
superficie de las partículas, de carga negativa, y los cationes de cambio atrapados
entre partículas adyacentes. También se forman fuerzas de este tipo debido a la
diferencia de carga eléctrica entre bordes o borde y cara de partícula.
Fuerzas de repulsión de carácter electrostático. El acercamiento de dos partículas
se produce hasta que sus DCED se encuentran. Dado que ambas partículas son de la
misma carga (en general negativas), sus DCED también lo son (ambas positivas), lo
que implica una repulsión inmediata entre ellas. El límite de acercamiento entre
partículas en el seno de un fluido dependerá, por lo tanto, del tamaño de sus capas
eléctricas que no pueden superponerse.
El efecto combinado de la acción de ambas fuerzas a la vez entre las partículas
arcillosas determina su comportamiento. Dicho comportamiento vendrá condicionado
por las características físico-químicas del medio en el que se encuentran. Los factoresque ejercen mayor influencia en dicho comportamiento son:
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• pH: Los enlaces insaturados presentes en los bordes de partícula pueden
atraer iones hidrógeno (H+) o hidroxilo (OH)- del fluido de los poros. En el
primer caso (adsorción de iones H+) la carga eléctrica del borde de partícula
será positiva y su capa externa será de signo negativo. En caso de atraer iones
hidroxilo, el resultado será contrario. Esta capacidad de presentar carga
positiva o negativa en los bordes de partícula es, por tanto, función de la
concentración relativa del fluido accesible, así como del pH de la solución.
• Salinidad: Mientras que las fuerzas de atracción de Van der Waals no están
influidas por las condiciones químicas del medio, la naturaleza y dimensiones
de las DCED sí lo están,
disminuyendo su espesor
con la concentración de
electrolitos en el medio.
Esta compresión de las
DCED debida a un
aumento de la salinidad
facilita un mayor
acercamiento de las
partículas. Si este acercamiento supera un umbral crítico, las fuerzas deatracción de Van der Waals serán más fuertes que las de repulsión y las
partículas se unirán formando agregados.
4.2. Tipos de contactos entre partículas
Como se expuso anteriormente, la carga eléctrica de las caras de las partículas
arcillosas siempre es negativa, mientras que los bordes de las mismas, dado su
carácter anfótero, pueden presentar carga negativa o positiva dependiendo del pH de
la solución. La DCED se forma en torno a la partícula en función de la distribución dela carga eléctrica en la superficie de la misma. Las características de esta DCED
permitirán a las partículas asociarse (floculación) o permanecer aisladas hasta su
sedimentación (dispersión).
Si las partículas son capaces de acercarse lo suficiente como para que las fuerzas de
atracción superen a las de repulsión, las partículas se unirán, formando agregados
arcillosos. Existen tres tipos de asociaciones entre partículas en función de su carga
eléctrica:
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• Asociación mediante contactos borde-borde (edge-edge “E-E”). Dichos
contactos tienen lugar cuando las características físico-químicas del medio
permiten que las partículas presenten tanto carga negativa como positiva en
sus bordes. De esta forma las partículas se unen por fuerzas electrostáticas
entre bordes de cargas opuestas.
• Asociación mediante contactos borde-cara (edge-face “E-F”). Estos contactos
tienen lugar entre bordes cargados positivamente y caras, de carga eléctrica
negativa siempre. El pH básico favorece este tipo de contactos.
• Asociación mediante contactos cara-cara (face-face “F-F”). De carácter
similar a los propios enlaces entre láminas dentro de las partículas. En este
caso, las partículas se disponen subparalelas unas a otras. Este tipo de
asociaciones tiene lugar cuando la solución presenta una concentración de
electrolitos muy baja y permite a las partículas reorientarse hasta que,
mediante fuerzas de Van der Waals, se asocian formando dominios de láminas
subparalelas. Los agregados de partículas asociadas mediante contactos “F-F”
suelen ser de tamaño mucho menor que los agregados de partículas asociadas
mediante contactos “E-E” o “E-F”.
Nunca tiene lugar un solo tipo de contactos entre las partículas arcillosas. Lo más
habitual es que, dependiendo de las condiciones físico-químicas del medio, se formenpequeños dominios de partículas asociadas mediante contactos “F-F” y estos
dominios, a su vez, se unan mediante contactos “E-F” y/o “E-E”.
Figura 7: modelos de asociaciones de partículas arcillosassegún van olphen (1963):
A) Dispersas y floculadas
B) (f-f) agregadas pero defloculadas
C) (e-f) floculadas pero dispersas
D) (e-e) floculadas pero dispersas,
E) (e-f) y (e-e) floculadas y agregadas
F) (e-e) floculadas y agregadas.
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4.3. Concepto de fábrica y microestructura: Floculación y dispersión
El concepto de “fábrica” en un material geológico se refiere fundamentalmente a la
distribución espacial, orientación y relaciones entre las partículas sólidas que lo
componen. Forman parte también del concepto de fábrica la distribución de tamaños
de partículas y huecos, así como la morfología de los mismos. A su vez, la
“microestructura” de un sedimento arcilloso abarca no sólo su fábrica sino también el
conjunto de fuerzas existentes entre las partículas (Figura 8).
Figura 8: Microestructura y fábrica de un suelo
El concepto de fábrica y microestructura es fundamental para comprender el
comportamiento de los materiales de grano fino como limos y arcillas. Como ya se ha
descrito anteriormente, la fábrica de estos materiales puede describirse en función de
dos términos extremos: floculación y dispersión. En ambos casos se parte de la
génesis de los sedimentos arcillosos a partir de su precipitación en un medio fluido
más o menos salino.
Figura 9: a) Dispersión y b) floculación de arcillas en agua
Las arcillas en agua constituyen una dispersión y
flocularán si las fuerzas atractivas superan en
magnitud a las fuerzas repulsivas. Si las partículas son
capaces de acercarse lo suficiente como para que las
fuerzas de atracción superen a las de repulsión, las
partículas se unirán, formando agregados arcillosos
(Figura 9b). Para ello, es necesario que la
concentración salina sea lo suficientemente alta como
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
para que las DCED de las partículas se compriman y permitan a éstas acercarse lo
suficiente como para que las fuerzas atractivas superen a las repulsivas. La fábrica
resultante de esta floculación son partículas desorientadas al azar, agrupadas
formando agregados muy porosos. A medida que la salinidad del medio disminuye, las
DCED (que son impenetrables) aumenta, impidiendo que las partículas se acerquen.
Las fuerzas repulsivas son predominantes y las partículas no se agregan,
permaneciendo suspendidas en el medio acuoso (Figura 9a). El depósito resultante
consiste en partículas pseudoparalelas, con una fuerte orientación preferente, paralela
a la superficie de sedimentación, y una porosidad muy reducida, de morfología
fuertemente condicionada por la morfología laminar de las partículas.
Figura 10: Estructura floculada y dispersa
Aunque se ha explicado las condiciones de formación de una fábrica dispersa o
floculada en función de la salinidad, otros factores físico-químicos como la valencia de
los iones predominantes, el pH, ejercen una fuerte influencia. Por ejemplo (Figura 10),
cuando las superficies de las arcillas (siempre de carga eléctrica negativa) son
fuertemente atraídas por los bordes de las mismas (sólo si son de carga eléctrica
negativa, es decir pH ácido), provocan la floculación del sedimento y una fábrica muy
porosa de partículas orientadas al azar. Sin embargo, un pH básico mantendría las
partículas en suspensión y una fábrica dispersa de partículas fuertemente orientadas.
Existen tres diferencias fundamentales entre un material arcilloso floculado y otro
disperso que ayudan a entender su comportamiento geotécnico diferente (Mitchell,
1956):
• Para una presión de consolidación dada, una masa constante de material
arcilloso, ocupa menos volumen si presenta fábrica dispersa que si es
orientada. Ello es debido a una menor porosidad y mayor densidad en estado
disperso.
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
• Las partículas de arcilla con fábrica dispersa está distribuidas más homogénea
y uniformemente, y presentan una fuerte orientación preferente.
• Dado un incremento de presión aplicado a dos arcillas, una dispersa y otra
floculada (previamente consolidadas a la misma presión) provoca un
asentamiento o consolidación mucho mayor en la arcilla floculada.
Figura 11: Transformación de la fábrica de un
sedimento arcilloso en función de la presión.
La importancia de la fábrica o estructura
es fundamental para comprender el
comportamiento de los materiales
arcillosos como respuesta a una presiónque tiende a compactarlos. En la
naturaleza, como en los ensayos de consolidación, los sedimentos arcillosos jóvenes y
superficiales suelen presentar una estructura floculada muy abierta y porosa, que va
cambiando a medida que el material se consolida por efecto de la presión (Figura 11).
Las partículas comienzan agregándose, disminuyendo paulatinamente la porosidad
interagregado existente. Si la presión continua aumentando, las partículas arcillosas
reaccionan reorientándose perpendicularmente a la dirección de máxima compresión y
transformando la fábrica en dispersa.
De igual manera que sucede en la naturaleza, cuando se
compactan probetas en laboratorio para la realización de
ensayos Proctor o Proctor Modificado, la fábrica resultante
depende de la humedad y la energía de compactación
aplicadas. Las partículas tenderán a reorientarse paralelas
unas a otras disminuyendo la porosidad interagregado. Esta
tendencia aumenta con la humedad facilitada a la probeta.
Figura 12: Variación de la fábrica en función de la humedad de
compactación.
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5. LAS FASES LÍQUIDA Y GASEOSA DE SUELOS Y ROCAS
Desde un punto de vista físico, los suelos pueden ser considerados sistemas trifásicos,constituidos por una fase sólida (las partículas que definen la fábrica), una fase líquida
(generalmente agua, ya sea gravitacional, o asociada a las partículas mediante
absorción y/o adsorción) y una fase gaseosa (habitualmente aire con vapor de agua).
Con el fin de cuantificar las proporciones relativas de estas tres fases dentro del suelo,
se han establecido una serie de coeficientes (Jiménez Salas y Justo Alpañés, 1975):
El índice de huecos o índice de poros (e) es igual a la razón del espacio ocupado
por los poros al espacio ocupado por las partículas sólidas. Este parámetro está
íntimamente relacionado con la porosidad (n): la fracción de volumen de muestra
ocupada por los poros, tanto si éstos están llenos de agua o de aire, o una mezcla de
ambos:
e
e
V V
V
V
V nPorosidad
sh
h
t
h
+=
+==
1)(
n
n
V
V e porosde Indice
s
h
−==1
)(__
Por otro lado, el contenido de agua o humedad en el material puede ser cuantificado
en términos de volumen o de masa:
Humedad (masa)suelo Masa
agua Masa
Ms
Mww
_
_==
Humedad (volumen)sueloVolumen
aguaVolumen
Vs
Vww
_
_==
En geotecnia se suele trabajar con masas, pero no hay que olvidar que en otras ramas
de la ciencia se trabaja con volúmenes, y será necesario traducir uno a otro a través
de la densidad del agua: γw= 9.8 kN/m3.
El tamaño de una molécula de agua es aproximadamente 2.8 Å de diámetro en su
forma líquida (casi igual al tamaño del átomo de oxígeno, porque el hidrógeno es muy
pequeño). Las moléculas de agua se enlazan a través de enlaces de hidrógeno
manteniendo una densidad de γw= 9.8 kN/m3. De estos datos se deduce que volumenteórico de un mol de agua sería: Vteórico = 6.9 cm3. Pero en realidad el volumen medido
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
experimentalmente en un mol de agua es Vmedido = 18 cm3. Esto significa que el agua
tiene una porosidad de n ≈ 0.62!!
Además, dado que la agitación térmica aumenta con la temperatura, la densidad del
agua disminuye proporcionalmente. La máxima densidad se obtiene a los 4ºC. Sin
embargo, el agua al congelarse aumenta un 9% su volumen!!
Aire y agua presentan unas propiedades físico-químicas muy diferentes,
particularmente la compresibilidad. Además, la presencia de aire en los poros de un
material altera los fenómenos de conductibilidad hidráulica y difusión. Por todo ello, es
importante identificar el porcentaje de poros que están llenos de agua o de aire. A este
parámetro se le denomina grado de saturación: cos_
_
hueVolumen
aguaVolumen
Vh
VwS == .
Cuando el grado de saturación S=100%, no existe aire en el interior de ningún poro.
Cuando S < 100%, comienza a hablarse de suelos no saturados. En tales casos, la
superficie de contacto aire-líquido produce efectos debido a su tensión superficial,
presiones locales de fluidos y gases, y fuerzas capilares (de igual forma que dos
fluidos no miscibles). La relación entre grado de saturación (S), peso específico (G),
índice de poros (e) y humedad de un suelo (w) viene expresado por: S = wG/e
5.1. La red porosa: macroporosidad y microporosidad. Porosidad primaria y
secundaria.
5.1.1. Macroporosidad y microporosidad
En el suelo se distinguen de forma tradicional pero empírica y a menudo arbitraria una
macroporosidad y una microporosidad.
La macroporosidad, o porosidad no capilar, esta formada por huecos grandes, que
están ocupados frecuentemente por aire. A menudo se presentan en forma de grietas
que separan los agregados e incluso penetran en los mismos. Su importancia depende
sobre todo de la estructura del suelo, de su grado de fisuración y parcialmente de la
textura. Es mas elevada en suelos arenosos.
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La microporosidad depende también de la estructura pero sobre todo de la textura y
de la actividad biológica. Es muy grande en los suelos ricos en elementos finos y en
los dotados de una microfauna numerosa y activa.
El límite entre macro y microporosidad depende del campo de la ciencia que lo trate.
Así, por ejemplo, en agronomía, esta fijado por algunos autores en 10 mm y por otros
en 8 mm, más lógico ya que corresponde al límite superior de la capacidad de
retención de agua, en el cual ésta está retenida con tal fuerza que no es susceptible
de desplazamiento vertical por acción gravitatoria, de modo que esos poros, una vez
llenos de agua, permanecerían siempre así si no se aplica alguna fuerza externa que
la desplace. Para darnos una idea del tamaño de poros diremos que por encima de las
30 mm el agua de gravedad puede circular libremente.
Sin embargo, en la norma ISO 15901:2005 (Evaluation of pore size distribution and
porosimetry of solid materials by mercury porosimetry and gas adsorption), define los
siguientes tamaños de poros:
• Macroporo: > 50 nm
• Mesoporo: 2 – 50 nm
• Microporo: < 2 nm
Naturalmente, la circulación del agua está influida por el volumen ocupado por la
macroporosidad, pero también por la forma y distribución de los poros
correspondientes.
Por otro lado, en ocasiones se forman "vesículas", que no están interconectadas con
el resto del sistema poroso por lo que aunque su tamaño es grande no participan del
sistema de circulación del agua y siempre están llenas de gas.
Una correcta distribución de los fluidos del suelo requiere una buena distribución entre
macro y microporosidad, que suele estimarse en volumenes semejantes, de modo que
cada una ocupe entre un 40 % y un 60 % del total. Las desviaciones hacia la
microporosidad generan un material impermeable y reductor con escaso suministro de
oxígeno a las raíces. La contraria supone un buena aireación pero una retención de
agua insuficiente. Es más importante está distribución que el valor total de porosidad
del suelo.
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
La medida de ambos valores puede hacerse en función del agua retenida con
determinada intensidad (curva succión-humedad), o mediante porosimetría de
mercurio, pudiendo calcular a partir de estas técnicas el valor de la microporosidad,
mientras que el de la macroporosidad se obtiene por diferencia entre la anterior y el
valor total.
5.1.2. Porosidad primaria y porosidad secundaria
• Porosidad primaria: la porosidad
que se desarrolla en el sedimento
durante las etapas finales de la
sedimentación o que está presente
entre/dentro de las partículas
durante su deposición. La
porosidad primaria puede ser:
intergranular o intragranular.
Microporo
Macroporo
Macrounidades
texturales
Agregadosarcillosos
Part culas arcillosas
o Porosidad intergranular Tipo de porosidad primaria típica de areniscas,
caracterizada por presentar buena interconectividad y permeabilidad.
En la porosidad intergranular, la porosidad efectiva es casi equivalente
a la total.
o Porosidad intragranular : es la más típica de fragmentos esqueléticos y
rocas volcánicas. Puede ser parcialmente cerrada o no conectada.
• Porosidad secundaria: En contraste con la porosidad primaria, es la
porosidad que se desarrolla en la roca o en el sedimento después de su
deposición, a través de procesos postdeposicionales, tales como la disolución
o la fractura.
o Porosidad intercristalina : Tipo de porosidad secundaria que se da entre
cristales, y es la más general en muchos depósitos. Se da sobre todoen dolomitas.
o Porosidad por solución: Es común en carbonatos, aunque también se
puede dar en areniscas. Es debida a la disolución de un fragmento
(concha) o de un cristal (yeso, dolomita, entre otros). La porosidad
efectiva puede ser baja al no estar conectados los poros.
o Porosidad de fractura: Porosidad resultante de las aberturas
ocasionadas por el rompimiento o resquebrajamiento de una roca. Se
da en cualquier roca que sea frágil a los esfuerzos, aunque tambiénpuede deberse a descarga de sobreenterramiento y erosión
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subsiguiente, o bien por reducción de volúmenes debido a enfriamiento.
Las fracturas son a veces rellenadas por cementos.
5.2. El agua asociada a suelos y rocas
Debido a la exposición al ambiente, la práctica totalidad de las muestras, excepto losmetales nobles, materiales hidrófobos y similares, contienen agua en mayor o menor
medida. El agua puede estar presente en diferentes formas (Figura 13):
Figura 13: Tipos de agua asociada a las arcillas
• Agua absorbida: Es la que se encuentra en el interior de los poros abiertos de
la muestra sólida, y que no interacciona con la superficie, de manera similar al
agua en el interior de una esponja• Agua adsorbida: Es la que se encuentra atraída por la superficie de las
partículas, interaccionando con ella mediante fuerzas electrostáticas y enlaces
de hidrógeno. Dependiendo de la naturaleza de dicha superficie, esta
interacción será más o menos intensa.
• Agua ocluida: Es la que se encuentra en el interior de los poros cerrados del
material y que por lo tanto no tiene posibilidad de escapar si no se forma una
grieta que abra el poro. Es agua que queda en el interior del sólido cuando éste
se forma o sintetiza.
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• Agua de cristalización: Es el agua que forma parte de la estructura cristalina
del sólido y cuya pérdida produce por tanto un cambio importante en su
estructura. Forma parte de su fórmula estructural, por ejemplo Ca C2O4·2H2O,
pero la molécula de agua constituye una unidad separada.
• Agua de constitución: Esta es la que se forma en la descomposición de
determinados sólidos, sin que se encuentre previamente de una forma
diferenciada, como el hidróxido cálcico Ca(OH)2 ⇒ CaO + H2O. También la
capa de hidroxilos (OH)- de las arcillas.
Están ordenados por orden de estabilidad: es más fácil eliminar del sólido el agua
absorbida que el agua adsorbida (Figura 14):
Figura 14: Correspondencias aproximadas entre humedad, presión, diámetro de poro y tipo de
agua asociada al suelo (PANSU & GAUTHEYROU, 2006).
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
6. RELACIÓN ENTRE LAS PROPIEDADES GEOTÉCNICAS DE LOS
MATERIALES GEOLÓGICOS Y SUS PROPIEDADES INTRÍNSECAS
6.1. La plasticidad en materiales arcillosos
Los minerales de la arcilla, y en particular el grupo de las esmectitas, son
eminentemente plásticos. Esto significa que aquellos materiales compuestos total o
parcialmente por minerales arcillosos mostrarán un comportamiento plástico en
presencia de agua, pudiendo estar ésta última presente en un amplio rango de
cantidades.
El comportamiento plástico de los minerales de la arcilla se debe principalmente a suestructura laminar y a su tendencia a rodearse de numerosas moléculas de agua, que
se fijan a la superficie mediante puentes de hidrógeno además de hidratando los
numerosos cationes de cambio que se encuentran en torno a éstas. Esto hace que,
como respuesta a un esfuerzo dado, los materiales arcillosos respondan deslizándose
unas láminas con respecto a otras. Este deslizamiento tiene lugar a favor de las
superficies de discontinuidad definidas a lo largo de los espacios interlaminares que
existen entre dichas laminas. La presencia de agua en estos espacios favorece la
separación de las láminas y, por consiguiente, la disminución de la energía de enlace
entre ellas, con el consiguiente deslizamiento relativo. Es, por tanto, el contenido de
agua en mayor o menor proporción el factor que determina la consistencia y
deformabilidad de un suelo de estas características.
Desde que en 1926 Terzaghi indicó su utilidad, los límites de Atterberg han sido
ampliamente estudiados y aplicados en los laboratorios de geotecnia de todo el
mundo. Según este autor: “Los resultados de la determinación de los limites de
Atterberg dependen precisamente de los mismos factores físicos que determinan la
resistencia y permeabilidad de los suelos (forma de las partículas, tamaño efectivo,
uniformidad...). Si diferentes suelos con orígenes geológicos similares tienen los
mismos límites sus propiedades físicas serán también idénticas, y será suficiente
investigar uno de ellos con mayor detenimiento. Si conocemos los tres límites de un
suelo, nos encontramos en disposición de comparar este suelo con otros y podemos,
en principio, anticipar cuáles serán sus propiedades. Si además conocemos otro suelo
con límites muy parecidos, podemos afirmar que ya sabemos cuál será su
comportamiento” (Terzaghi, 1926).
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La mayor parte de los materiales esmectíticos muestran un comportamiento plástico a
lo largo de un amplio rango de humedades. Este comportamiento surge de la
capacidad de los minerales de contener una gran cantidad de agua entre las partículas
y todavía conservar su estructura coherente gracias a las fuerzas eléctricas existentes
entre ellas.
En este contexto, el límite plástico podría considerarse la proporción de agua
suficiente para hidratar todas las partículas, ya sea por adsorción directa a la superficie
o por hidratación de los cationes de cambio que se encuentran en torno a ellas. Por
encima de este valor, las partículas presentarán un comportamiento plástico gracias a
la formación de películas de agua que permite el deslizamiento de unas con respecto a
otras. Yong y Warkentin (1966) lo definen como la mínima humedad para la cual la
cohesión entre partículas o grupos de partículas es lo suficientemente baja como para
permitir su movimiento, pero lo suficientemente alta para que éstas mantengan su
nueva posición tras el remoldeo.
En el intervalo existente entre límite plástico y límite líquido, la distancia entre las
partículas va aumentando a medida que se incrementa la cantidad de agua en el
sistema. Esto provoca una debilitación de las fuerzas de atracción existentes entre
ellas.
A partir del límite liquido, las partículas están lo suficientemente alejadas como para
que las fuerzas de atracción sean muy débiles. Esta situación permite el flujo del suelo
(comportamiento viscoso) en cuanto éste es sometido a la acción de cualquier
esfuerzo externo al sistema. En el caso de los minerales hinchables como las
esmectitas, una cantidad considerable del agua del límite líquido puede encontrarse
hidratando los cationes interlaminares. Esta cantidad de agua interlaminar depende engran medida del tipo de catión interlaminar. Por tanto, se puede afirmar que en los
minerales del grupo de las esmectitas la naturaleza del catión interlaminar ejerce una
gran influencia sobre el valor del límite líquido que presente el material arcilloso.
6.1.1. ¿Qué factores determinan el comportamiento plástico de un suelo?
• % Fracción <2 mm: Dado que son los minerales arcillosos los que aportan
plasticidad a un suelo y éstos se concentran en las fracciones finas.
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
• Mineralogía de la fracción arcillosa (proporción de minerales hinchables):
Dentro de los diferentes minerales arcillosos, las esmectitas son las que
presentan unos índices de plasticidad más altos (Seed et al., 1964).
• Superficie específica: La superficie específica (y por tanto el tamaño de
partícula) determina la cantidad de agua necesaria para hidratar todas las
partículas que componen el suelo. Cuanto menor es el tamaño de partícula,
mayor será la superficie específica y mayor será la humedad necesaria para
llegar al comportamiento plástico.
• Naturaleza de los cationes de cambio: La capacidad de hidratación de las
partículas depende fundamentalmente de la energía de hidratación de los
cationes de cambio (Gill y Reaves, 1957). Los cationes monovalentes como el
Li+ y el Na+ presentan una alta energía de hidratación. Debido a ello, en
presencia de agua tienden a rodearse de una gran cantidad de capas de
moléculas de agua (en el caso del litio, forma 5±1 capas mientras que el sodio
forma 4±1 capas). Sin embargo los cationes divalentes, como el Mg2+, de
menor energía de hidratación, tienden a formar sólamente 2±1 capas (Bennett,
1986). Así la presencia de uno u otro tipo de catión de cambio afecta
fundamentalmente al límite líquido.
En la siguiente tabla se exponen algunos límites de Atterberg extraídos del trabajo deLambe (1958b). Es interesante observar cómo el límite líquido varía fundamentalmente
en función del tipo de ion de cambio, mientras que el límite plástico no se ve afectado
por éste. Sin embargo, el rango de valores en los que se mueve el límite plástico sí
depende de la mineralogía, cuya máxima diferencia radica en la carga eléctrica y la
superficie específica de las partículas.
Mineral Ión de cambio WL WP WR IPNa 53 32 27 21
K 49 29 20Ca 38 27 25 11
CaolinitaSup. Esp. ≈ 15 m2 /g
Mg 54 31 29 23Na 120 53 15 63K 120 60 18 60Ca 100 45 17 55
IllitaSup. Esp. ≈ 30 – 50 m2 /g
Mg 95 46 15 49Na 710 54 10 650K 660 98 9 560Ca 510 81 11 430
MontmorillonitaSup. Esp. ≈ 80 – 100 m2 /g
Mg 410 60 15 350
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
6.2. La expansividad en materiales arcillosos
El hinchamiento es el proceso opuesto a la consolidación. Consiste en la expansión de
un material arcilloso por efecto de una reducción de presión y una entrada de agua en
los poros que rodean a las partículas.
6.2.1. ¿Qué mecanismos intervienen en la expansividad de una arcilla?
Existen dos tipos de hinchamiento: El intracristalino, causado por la adsorción en
superficie de moléculas de agua así como la hidratación de los cationes de cambio de
la arcilla seca, y el osmótico, resultado de la gran diferencia en la concentración de
iones cerca de la superficie de las partículas y en el seno del fluido existente en los
poros (Madsen y Müller-von Moos, 1989).
Hinchamiento intracristalino: Los fenómenos de tipo físico-químico que participan en
el fenómeno del hinchamiento cristalino en los minerales arcillosos son:
• Adsorción de moléculas de agua en la superficie de las arcillas : Aún en el caso
de que las láminas arcillosas resulten ser eléctricamente neutras, presentan
una polaridad de carácter permanente debido a la presencia de aniones (OH) - y
O2- en su superficie externa. Esta característica cristaloquímica de las arcillas
les confiere la capacidad de atrapar y fijar en su superficie mediante adsorción
diversos cationes de cambio, así como moléculas de agua. Por otro lado, la
molécula de agua, aunque es eléctricamente neutra, forma también un dipolo
permanente. Como consecuencia de ello, cuando arcilla y agua entran en
contacto, las moléculas de agua se disponen de manera que sus polos
positivos (H+) se orientan hacia la superficie de la partícula arcillosa fijándose a
ésta mediante puentes de hidrógeno. Este proceso es independiente de lacarga eléctrica generada en la estructura y, por tanto, está presente en todos
los minerales de la arcilla. Por otro lado, al ser un fenómeno de superficie, la
cantidad de moléculas de agua y cationes que pueden ser adsorbidos
dependerá de la superficie específica del material en concreto. A su vez la
superficie específica depende del tamaño de partícula que presente dicho
material.
• Hidratación de cationes interlaminares (van Olphen, 1953; Norrish, 1954): Lasláminas arcillosas, cargadas negativamente en su superficie, se enlazan unas a
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Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
otras mediante los cationes interlaminares, a los que atrapan fuertemente
mediante fuerzas electrostáticas. Estos cationes interlaminares pueden
hidratarse si tienen acceso a moléculas de agua. Cada catión posee una
energía de hidratación (capacidad de atraer moléculas de agua y rodearse de
ellas) que es función de su radio iónico. A menor radio iónico, mayor energía
de hidratación y mayor será el número de moléculas de agua que puede atraer:
Li > Na > Ca > Mg. Dicha hidratación de los cationes lleva al aumento del
espaciado interlaminar y a una debilitación de la atracción electrostática entre
la lámina negativamente cargada y el catión.
Hinchamiento osmótico: A diferencia del hinchamiento intracristalino, que actúa
sobre distancias muy cortas (hasta 1 nm), el hinchamiento osmótico, que esta basado
en la repulsión entre las doble capas de las partículas arcillosas, puede actuar a lo
largo de mayores distancias. La fuerza conductora del hinchamiento osmótico es la
gran diferencia de concentración entre los iones electrostáticamente enlazados a la
superficie de las partículas arcillosas y los iones del agua de los poros del suelo. La
adición de agua al suelo aumenta esta diferencia de concentración, produciéndose la
expansión de las DCED de las partículas arcillosas. Debido a ello, las partículas se
repelen y esto causa el hinchamiento osmótico del material (Norrish, 1973). Esta
fuerza de repulsión varía con la concentración, valencia y energía de hidratación de los
iones de la doble capa difusa, y con la concentración de electrolitos en el agua de los
poros.
6.2.2. ¿Qué factores determinan el potencial de hinchamiento de un suelo?
• Mineralogía de arcillas: Tipo y cantidad de filosilicatos presentes en el
material y, en concreto, proporción de minerales de carácter esmectítico.
• Carga eléctrica de la partícula: Las dimensiones y comportamiento de laDCED dependen de la magnitud de la densidad de carga eléctrica de la
partícula. Además el hinchamiento intracristalino sólo se produce cuando la
energía de hidratación de los cationes supera a las fuerzas de atracción entre
láminas, siendo estas fuerzas dependientes de la carga eléctrica del cristal.
• Composición de los cationes de cambio: De igual forma que en la
plasticidad, la capacidad de hinchamiento depende en gran medida de la
energía de hidratación de los cationes que rodean a las partículas. Los
cationes monovalentes presentan una energía de hidratación mucho más alta,
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siendo capaces de provocar un mayor hinchamiento libre y mayor presión de
hinchamiento.
• Características químicas del agua asociada al suelo: La capacidad de
hinchamiento es reprimida cuando aumenta la concentración de cationes del
medio o aumenta la valencia de los cationes (Mitchell, 2005; Bennett, 1986).
• Humedad del suelo: Los cambios de humedad por debajo del limite de
retracción no producen prácticamente cambios en el volumen. De igual forma,
un aumento de humedad por encima del límite líquido produce mínimos
cambios de volumen.
• Plasticidad: En general los suelos que muestran un comportamiento plástico
en un amplio rango de humedad y un alto valor de límite líquido, tienen un
mayor potencial de hinchamiento y retracción. La plasticidad es un indicador
del potencial de hinchamiento de un suelo.
• Fábrica y estructura del suelo: Las arcillas floculadas tienden a ser más
expansivas que las dispersas. Por otro lado, la presencia de agentes
cementantes reduce la capacidad de hinchamiento. La fábrica y la estructura
pueden ser alteradas mediante compactación a altas humedades o remoldeo.
• Densidad seca: Elevadas densidades normalmente indican que las partículas
están muy cerca unas de otras y por tanto los huecos interpartículas son más
pequeños, lo que puede significar fuerzas de repulsión mayores entre laspartículas y mayor potencial de expansión.
7. TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE SUELOS
Característica TécnicaMineralogía Difracción de Rayos-X
Microscopía ópticaMicroscopía electrónica (SEM, TEM)Análisis digital de ImágenesGranulometría por sedimentación
Tamaño de partícula
Granulometría por láserSuperficie específica Isotermas de Adsorción de Nitrógeno
Carga eléctrica A partir de análisis químicos y cálculode formula estequiométrica
CEC Métodos químicosAgua asociada Análisis térmicos
Porosimetría de mercurioMicroscopía ópticaMicroscopía electrónica (SEM, TEM)
Red porosa
Análisis digital de Imágenes
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ANEJO I
BIBLIOGRAFÍA
BENNET, R. and HULBERT, M.H. (1986). “Clay Microstructure” D. Reidel PublishingCompany. Geological Sciences Series. 161 pp.
BISHOP, A.W. (1966). “The strength of soils as engineering materials” Geotechnique,
Vol. 16, pp. 91-130.
BREWER, R. (1964). “Fabric and mineral analysis of soils” Wiley, New York.
CASAGRANDE, A. (1932). “The structure of clay and its importance in foundation
engineering” J. Boston Soc. Civil Eng., Vol. 19.
CHEN, F.H. (1973). “The basic physical property of expansive soils” Proc. 3 rd Int. Conf.
Expansive Soils, Haifa, Israel, Nº 1, pp.17-25.
GILL, W.R. and REAVES, C.A. (1957). “Relationship of Atterberg limits and cation-
exchange capacity to some physical properties of soil”. Soil Sci. Soc.Amer. Proc. Vol.
21, pp. 491-497.
GILLOT, J.E. (1968). “Clay in engineering geology” Ed. Jack E. Gillot.
LAMBE, T.W. (1953). “The structure of inorganic soils” Proc. Am. Soc. Civil Eng., 315.
LAMBE, T.W. (1958a). “The structure of compacted clay” Journal of the Soil Mechabics
and Foundations Division, ASCE, Vol 34, Nº SM2, paper 1654.
LAMBE, T.W. (1958b). “The Engineering Behavior of Compacted Clay” Journal of the
Soil Mechabics and Foundations Division, ASCE, Vol 34, Nº SM2, paper 1655.
MADSEN, F.T. and MÜLLER-VONMOOS, M. (1989). “The swelling behaviour of clays”
Applied Clay Science, Vol. 4, 143-156.
MIELENZ, R.C. and KING, M.E. (1955). “Physical-chemical properties and engineeringperformance of clays” California Division of Mines Bulletin, Vol. 169, 196-254.
40
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http://slidepdf.com/reader/full/clase-cristina-de-santiago-arcillas 44/44
Propiedades físico-químicas de los suelos CRISTINA DE SANTIAGO
MITCHELL, J.K. (1956). “The fabric of natural clays and its relation to engineering
properties” Proc. HRB, Vol. 35.
MITCHELL, J.K. and SOGA, K. (2005). "Fundamentals of soil behavior” 3rd Ed. Wiley &
Sons Inc. USA. 577 pp.
NORRISH, K. (1973): “Forces between clay particles” Proc. Int. Clay Conf. 1972,
Madrid, 375-383. Division de Ciencias, Madrid.
PANSU, M. and GAUTHEYROU, J. (2006). “Handbook of soil analysis. Mineralogical,
organic and inorganic methods” Springer. 993 pp.
SEED, H.B. and CHAN, C.K. (1959). “Structure and Strength Characteristics of
Compacted Clays” Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol
92, Nº SM6, 105-134.
SEED, H.B.; WOODWARD, R.J. and LUNDGREN, R. (1964). “Clay mineralogical
aspects of the Atterberg limits” Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division,
ASCE, Vol 90, Nº SM4, 107-131.
SERGEYEV, Y.M.; BUDIN, D.Y.; OSIPOV, V.I. and SHIBAKOVA, V.S. (1973). “The
importance of the fabric of clays in estimating their engineering-geological properties”
Int. Symposium on soil structure, Gottemberg (Sweden), 243-251.
TERZAGHI, K. (1926). “Simplified Soil Tests for subgrades and their physical
significance” Public Roads, October, 1926.
VAN OLPHEN, H. (1966): “An introduction to clay colloid chemistry: for clay
technologists, geologists and soil scientists” Interscience Publishers. 301 pp.
WONG, K.Y. (1975). “Microfabric changes during the deformation of clays” PhD Thesis
Cambridge University
YONG, R.N. and WARKENTIN, B.P. (1966). “Introduction to soil behavior” Macmillan,
New York.
41