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Características y propiedades de las arcillas
La estabilización de un revoque depende tanto de las condiciones ambientales como del
tipo de acabado final que se desea
las principales características de las arcillas son:
transpirable
en el tratamiento final las arcillas vivas deben impermeabilizarse, para que mantengan su
condición de transpiración.
Resistente al fuego
absorción de ondas de alta frecuencia
según los estudios por la empresa claytec un revoque de 30 mm de grosor puede absorber el
70% de las transmisiones hf
neutralidad a las cargas electrostáticas
capacidad de polo a tierra
acústica
material de gran capacidad acústica
regulación hidrométrica
característica por la cual tiene la capacidad de soltar y almacenar humedad
siempre mantiene una expresión estética de texturas y colores naturales
Tipos de arcillas
Existe un gran número de minerales arcillosos. pero los que nos interesan en relación con
los fluidos de perforación pueden ser clasificados en tres tipos. el primer tipo consta de
arcillas en formas de aguja no hinchables como la atapulguita o la sepiolita. Se cree que la
forma de las partículas es responsable de la capacidad que la arcilla tiene para aumentar la
viscosidad. El tamaño natural de cristales finos y la forma de aguja hace que la arcilla
desarrolle una estructura de “escobillas amontonadas” en suspensión, demostrando así una
alta estabilidad coloidal, incluso en la presencia de una alta concentración de electrolitos.
Debido a su forma y a sus características no hinchables, estas arcillas demuestran un
control de filtración muy débil. Por este motivo la atapulguita se usa principalmente como
mejorador de viscosidad en los lodos base agua salada, mientras que la sepiolita se usa
generalmente como viscosificador suplementarios para los fluidos geotérmicos y de alta
temperatura. Estas arcillas no están casi nunca presentes en las lutitas de la formación. El
segundo tipo son las arcillas laminares no hinchables (o ligeramente hinchables): Ilita,
Clorita y Caolinita. Las Ilitas tienen la misma estructura básica que las Montmorillonita,
pero no muestran la capacidad de hinchamiento entre capas. En vez de la sustitución del
aluminio (Al+3) por magnesio (Mg+2 ) como en la Montmorillonita, la Ilita tiene una
sustitución de Si+4 por Al+3 , lo cual aún produce una carga negativa. Los cationes
compensadores son principalmente el ión potasio (K+). La carga negativa neta de la red
que resulta de estas sustituciones, mediante los iones potasios compensadores, es
generalmente mayor que la carga de la Montmorillonita, pudiendo ser hasta una vez y
media más grande que ésta. El espacio entre las capas unitarias es de 2,8 Å.
El diámetro iónico de K+ es de 2,66 Å. Esto permite que el K+ encaje perfectamente entre
las capas unitarias, formando un enlace que impide el hinchamiento en la presencia de
agua. Como las capas unitarias no se hinchan, no se separan al ser expuestas al agua. Los
iones potasio K+ presentes entre las capas unitarias no están disponibles para el
intercambio. Sólo los iones potasio que se encentran en la superficie exterior pueden ser
cambiados por otros cationes.
Las Cloritas están estructuralmente relacionadas con las arcillas de tres capas.
Las Cloritas no se hinchan en su forma pura, pero pueden hacerse que se hinchen
ligeramente al ser modificadas, en estas arcillas los cationes compensadores entre las capas
unitarias de tipo Montmorillonita son reemplazados por una capa de hidróxido de
magnesio octaédrico, o brucita. Esta capa tiene una carga positiva neta debido a la
sustitución de ciertos Mg+2 por Al+3 en la capa de brucita. Las Cloritas se encuentran
frecuentemente en antiguos sedimentos marinos enterrados a grandes profundidades y
normalmente no causan ningún problema importante, al menos que estén presentes en
grandes cantidades. La capacidad de intercambio catiónico de la Clorita varía de 10 a 20
meq/100g, principalmente debido a los enlaces rotos. La distancia entre capas de la Clorita
suele ser aproximadamente 14 Å. La Clorita también puede formar arcillas de capas mixtas
con otros minerales arcillosos tales como la esmectitas. La arcilla resultante de capa mixta
tendría las propiedades de ambos tipos de minerales arcillosos.
La Caolinita es una arcilla no hinchable cuyas capas unitarias fuertemente ligadas mediante
enlaces de hidrogeno, esto impide la expansión de las partículas porque el agua no es capaz
de penetrar en las capas. La Caolinita no contiene cationes entre capas ni tiene capas
superficiales porque no se produce ninguna situación en las hojas tetraédricas u octaédricas,
sin embargo, algunas pequeñas cargas pueden resultar de los enlaces rotos o las impurezas.
La Caolinita contiene una capacidad de intercambio catiónico relativamente baja (de 5 a 15
meq/100g), ésta se encuentra comúnmente como componente menor a moderado (5 a 20%)
de las rocas sedimentarias tales como las lutitas y las areniscas.
El tercer tipo de arcilla está compuesto por Montmorillonitas laminares muy hinchables; si
se sustituye un átomo de aluminio (Al+3) por solo un átomo de magnesio (Mg+2) en la
estructura reticular (disposición de los átomos), ésta tendrá un electrón excedente o una
carga negativa. La carga negativa neta es compensada por la absorción de cationes (iones
positivos) en la superficie de la capa unitaria, tanto en la superficie interior como en las
superficies exteriores del apilamiento. Los cationes que se absorben en las superficies de las
capas unitarias pueden ser combinados por otros cationes y se llaman los cationes
intercambiables de arcillas. La cantidad de cationes por peso unitario de la arcilla se mide y
se registra como capacidad de intercambio catión (CIC). El catión puede ser un ión de
simple carga como el calcio (Ca+2) o el magnesio (Mg+2). De este modo tenemos
Montmorillonita sódica, cálcica y/o magnésica. La Montmorillonita sódica, cálcica y la
magnésica son intercambiables de 35 a 67 % de la capacidad total de intercambio. Tienen
una CEC entre 60 – 150 meq/100g de arcilla. La propiedad más típica de la
Montmorillonita es la capacidad de hinchamiento entre las capas (hidratación) con el agua.
Además de la sustitución del aluminio (Al+3) por el magnesio (Mg+2) en la red de la
Montmorillonita, muchas otras sustituciones pueden ser realizadas. Por lo tanto el nombre
de Montmorillonita se usa como nombre del grupo que incluye muchas estructuras
minerales específicas. Sin embargo, en los últimos años se aceptado más el nombre de
esmectitas como nombre del grupo, reservando el nombre de Montmorillonita para los
miembros predominantes aluminosos del grupo.
El segundo y tercer tipo de minerales arcillosos se encuentran en las lutitas de las
formaciones, en el orden siguiente y en cantidades decrecientes: Ilitas, Clorita,
Montmorillonita, Caolinita. Como están presentes en las formaciones perforadas, estas
arcillas se dispersan en cantidades variables dentro de los fluidos de perforación. La
Montmorillonita sódica se añade normalmente a un lodo para aumentar la viscosidad y
reducir la pérdida del fluido.
Las propiedades de filtración y reología del fluido del lodo dependen de las cantidades de
las diferentes arcillas contenidas en el lodo. Como la Montmorillonita es añadida
intencionalmente a un lodo para controlar estas propiedades, los otros tipos de arcillas
pueden ser considerados como contaminantes visto que no son tan eficaces como una
arcilla comercia
Tipos de arcillas conocidas
Las distintas arcillas se formaron, primero a partir de la descomposición de las formaciones
rocosas y, por la acción de distintos factores, presión tectónica, movimientos sísmicos,
distintos tipos de erosión, etc., y segundo por la adquisición, durante el viaje hasta su lugar
de sedimentación, de diferentes impurezas de origen mineral; por lo tanto, dependiendo de
las características de la roca de origen, existen innumerables tipos de arcillas, cada una de
las cuales posee unas propiedades particulares.
Recipientes de terracotaEntre sus componentes básicos debemos destacar las materias
plásticas como el caolín y la arcilla y, los no plásticos o antiplásticos, como el cuarzo, la
arena o la pegmatita, que prestan un papel fundamental en el proceso de transformación de
los materiales dentro del horno, actuando como fundentes.
Por la utilización de las distintas clases de arcillas las podemos dividir en dos grupos:
- Arcillas de alfarería.
- Arcillas para loza (dentro de este grupo existen otras variedades que se denominan gres,
refractarias y porcelana).
Para tener una idea de las calidades y cualidades obtenidas por las distintas pastas, después
de cocidas, diremos que:
a) cuando tienen un color rojo o amarillento y su textura es porosa, recibe el nombre de
terracota o de alfarería (1).
b) cuando el color tiende al blanco y su textura es porosa recibe el nombre de loza (2).Plato
de loza
c) cuando presenta un color entre el amarillento y el gris, habiéndose vitrificado algunos
elementos de su composición, presentando una textura poco porosa, recibe el nombre de
gres.
d) cuando presenta un color blanco semitransparente, mostrando una textura impermeable,
recibe el nombre de porcelana (3).
Los tipos de arcilla correspondientes al primer grupo, tienen en común que cuecen a baja
temperatura entre 900º y 1000ª C., compuestas por pastas de grano fino de gran plasticidad.
A este grupo pertenecen, la arcilla azul (llamada así, por su gran contenido en cal, aunque
una vez cocida adquiera un color amarillento) y la arcilla roja (denominada así, por su color
rojo debido a su alto contenido en hierro) ésta última es buena para cocer a 1.100º C. Al
grupo b) pertenecen las pastas para loza que tienen como característica en ser muy
plásticas, de color blanco o marfil que pueden cocer hasta 1200º C. Vasija de porcelana
Al grupo c) pertenecen todas las pastas que se les añaden materias no plásticas, como por
ejemplo la chamota, la arena... y tienen como característica común, ser muy resistentes a las
altas temperaturas, siendo variable su plasticidad, dependiendo de la composición de la
arcilla original y, disminuir la reducción en el tamaño de las piezas en el proceso de secado
y cocción. A este grupo pertenecen el "gres" y las "pastas refractarias".
Al grupo d) pertenecen todas las cerámicas a base de caolín, feldespato y cuarzo que tras la
cocción aparece un color blanco, un tacto sonoro y un aspecto vitrificado, son las llamadas
porcelanas.
Todos los tipos de arcilla, en el tiempo de secado y de cocción, sufren un proceso de
encogimiento, de reducción de tamaño. Esta disminución de tamaño es mayor, cuanto
menor sea el contenido de materias no plásticas de la arcilla que estamos trabajando.
Existen arcillas muy plásticas, de grano finísimo, que sufren un encogimiento muy grande,
hasta el 20%, en el proceso de secado. Es el caso de la arcilla de bola o de "ball clay" que,
por la razón anteriormente mencionada, no es de gran utilidad, pero es extraordinaria para
mezclar con otros tipos de arcillas que carecen de plasticidad. La bentonita se usa con este
mismo fin, es decir aportar plasticidad a otros tipos de pastas no grasas. Por el contrario,
cuando tenemos unas arcillas excesivamente plásticas, muy grasas, deben modificarse y
para desengrasarlas añadiremos chamota. Cuando una arcilla es muy plástica decimos que
es una arcilla grasa y, por el contrario, si le falta plasticidad, decimos que es poco grasa.
Hidratación de arcillas
La hidratación de las arcillas involucra la adsorción de moléculas de agua sobre su
superficie, lo cual puede ocurrir a través de:
- hidratación de los cationes de intercapa
- interacción de la superficie del mineral con las moléculas de agua y con los cationes
- actividad (contenido) de agua presente.
A partir de las cargas desarrolladas sobre la superficie del mineral (habitualmente
negativas) se produce la adsorción de cationes, que se comportan como los principales
centros hidrofílicos sobre la superficie basal de las láminas de silicato. Estos cationes se
asocian con el agua de tal modo que pueden formar dos clases diferentes de complejos de
hidratación, que reciben distintos nombres:
- complejo de esfera interior o interna (A)
- complejo de esfera exterior o externa (B)
- complejo de esfera interior: se encuentra directamente unido a la superficie del mineral
por un lado, mientras que por el otro se rodea de moléculas de agua
- complejo de esfera exterior: el catión se encuentra rodeado de moléculas de agua
(formando un complejo), e interactua con el mineral a través de sus ligandos (agua).
- Una tercera forma de asociarse resulta al ubicarse más alejado de la superficie
y poder difundir con facilidad.
El tipo de complejo de hidratación formado depende de la afinidad existente entre el ión y
el agua.
En el caso de los cationes, cuya densidad de carga (relación entre carga y volumen que
ocupa) resulta siempre más elevada que la de los aniones, la hidratación es más efectiva.
Sin embargo, un catión como el potasio se liga en forma directa a la superficie de las
arcillas sin interponer moléculas de agua.
Como consideramos en este caso superficies cargadas negativamente, son los cationes los
que se encuentran asociados a ella, por lo tanto los complejos de hidratación formados
serán del tipo:
M+z ® M(H2O)n+z
Puede existir una primera esfera de hidratación, la cantidad de moléculas de agua asociadas
en ella se denomina número de coordinación (NC), sin embargo, la globalidad de moléculas
de agua que interactuan fuertemente con el ión es casi siempre un número diferente al NC,
y se designa como número de hidratación NH.
En el caso particular del catión potasio, con una pequeña D G hid y NH, se liga en forma
directa a la superficie del mineral, formando complejo de hidratación de esfera interna. Este
hecho, sumado al tamaño del ión, que le permite encajar perfectamente en la cavidad
hexagonal formada por los oxígenos apicales, le confiere a los sistemas en los que
predomina como catión, características diferenciadas de los restantes cationes
monovalentes. En algunos casos inclusive el comportamiento del sistema en su conjunto se
asemeja al que produce un ión como el calcio.
Se formarán complejos de hidratación muy débiles en el caso de tener cationes alcalinos o
aniones halogenuros.
Cuando en minerales como las esmectitas se encuentran cationes divalentes en su intercapa,
el complejo de hidratación formado es capaz de mantener unidas varias láminas adyacentes:
estos sistemas reciben el nombre de cuasicristales.
Cuando se forma un ordenamiento de láminas de esmectita separadas entre sí sólo por el
solapamiento de sus dobles capas eléctricas, el sistema se denomina tactoide. Esto ocurre
preferencialmente en caso de tener cationes monovalentes pequeños en el sistema.
A pesar que tactoides y cuasicristales consisten en un agrupamiento casi paralelo de varias
láminas de esmectita, se diferencian entre si:
- la separación entre láminas es mayor en los tactoides
- en un cuasicrital las láminas permanecen unidas por fuerzas electrostáticas debidas a la
interacción de los complejos de hidratación de los cationes, los tactoides por otro lado,
mantienen su integridad a través de la repulsión de largo alcance originada por la doble
capa eléctrica.
- en los cuasicristales, la doble capa difusa puede desarrollarse sólo en la superficie externa.
La presencia de cationes mono o divalentes produce marcada diferencia en las cantidades
de agua adsorbida, y por lo tanto, en la expansión entre láminas.
La formación de una doble capa eléctrica sobre la superficie del mineral hace que surjan
fuerzas repulsivas que tienden a mantener dispersos este tipo de materiales cuando se
encuentran suspendidos en el agua.
La presencia de contraiones de diferente densidad de carga y en diferentes concentraciones
puede modificar considerablemente las fuerzas repulsivas entre las partículas de mineral:
Cuando las concentraciones de electrolito son elevadas, favorecen la compresión de la
doble capa eléctrica, disminuyendo el alcance de las fuerzas repulsivas, favoreciendo así
una rápida coagulación.
A medida que se agregan iones de mayor densidad de carga, se produce mayor compresión
de la doble capa eléctrica, favoreciendo así una rápida coagulación.
En forma independiente a lo que sucede con las fuerzas repulsivas, las partículas de mineral
se atraen debido a la existencia de fuerzas atractivas de tipo van der Waals y fuerzas de
dispersión.
Finalmente, la posibilidad que el mineral se encuentre disperso o suspendido cuando está en
contacto con un medio acuoso, dependerá de la relación existente entre fuerzas atractivas y
repulsivas, manteniéndose coagulado si predominan las primeras y disperso si predominan
las últimas.
Clasificacion de las arcilas en base a su estabilidad
*arcillas coalinitas
*arcillas illitasg
*arcillas montmorillonitas
arcilla coalinitas o estables
El caolín o caolinita, es una arcilla blanca muy pura que se utiliza para la fabricación de
porcelanas y de aprestos para almidonar. También es utilizada en ciertos medicamentos y
como agente adsorbente. Cuando la materia no es muy pura, se utiliza en fabricación de
papel. Conserva su color blanco durante la cocción. Actualmente se encuentra en
Peñausende (Zamora, España), Arguisuelas (Cuenca), Carboneras de Guadazaón (Cuenca),
Merilles (Asturias), Poveda de la Sierra (Guadalajara, España), Alcoroches (Guadalajara,
España), Vimianzo (La Coruña, España), Cornualles (Inglaterra), en Malasia y en la
localidad de Mutquín, en el oeste de la provincia de Catamarca, Argentina. Su fórmula es
Al2Si2O5(OH)4 ó Al2O32SiO22H2O (disilicato alumínico dihidratado)
Su nombre viene del chino kao = alta y ling = colina, que indicaba, en la provincia de
Kiangsi, cerca de Jauchu Fa, el lugar donde los chinos encontraron por primera vez este
tipo de arcilla al natural.
Composición
Es silicato de aluminio hidratado formado por la descomposición de feldespato y otros
silicatos de aluminio. Esta descomposición se debe a los efectos prolongados de la erosión.
La formación del caolín se debe a la descomposición del feldespato por la acción del agua y
del dióxido de carbono
Está formado por pequeñas capas hexagonales de superficie plana. En su estructura
cristalina se distinguen dos láminas, una formada por tetraedros, en cuyos vértices se
situarían los átomos de oxígeno y el centro estaría ocupado por el átomo de silicio, y otra
formada por octaedros, en cuyos vértices se situarían los átomos del grupo hidróxido y el
oxígeno, y en el centro el átomo de aluminio
Usos
El caolín es utilizado en la preparación de pinturas de caucho o emulsionadas, ya que por su
blancura es de alto grado de rendimiento. Al mismo tiempo se utiliza como espesante.
▪ Papel: Como carga y recubrimiento del papel. En el acabado de papel de arte y tapiz y en
papel corrugado. Reduce la porosidad y da suavidad y brillo a la superficie.
▪ Refractarios: En la elaboración de perfiles, bloques y ladrillos refractarios, así como en
ladrillos de alta alúmina. En la elaboración de cemento refractario y resistente a los ácidos.
En cajas de arcilla refractaria para cocer alfarería fina.
▪ Cerámica: En la fabricación de sanitarios, comedores, porcelana eléctrica y tejas de alto
grado, vajillas, objetos de baño, refractarios y cajas de arcilla refractaria para cocer alfarería
fina.
▪ Vidrio: En la formulación de placas de vidrio.
▪ Pinturas: En la elaboración de pigmentos de extensión para pinturas y en la fabricación de
tintas. Se usa como dilatador por su inercia química, suave fluidez, facilidad de dispersión y
por no ser abrasivo. En pinturas de agua con liga de aceite, a base de silicato y al temple; en
pinturas para moldes de fundición; en pigmentos para el color ultramarino. Da suavidad y
brillo a la superficie, mejora la durabilidad de la misma y reduce la cantidad de pigmento
necesario.
▪ Plásticos: Es usado como relleno en hules y plásticos y auxiliar en procesos de filtración.
En revestimientos plásticos para ductos y tejas plásticas. Se mezcla bien con oleoresinas en
plásticos y mejora la rigidez y dureza del mismo.
▪ Agroquímicos: Forma parte de los componentes de insecticidas y pesticidas bien como
material de acompañamiento a insecticidas presentados en polvo o bien solo, uso este hoy
en alza para el control de determinadas plagas agrícolas, como por ejemplo la mosca del
olivo1 sobre todo en agricultura ecológica. También se está viendo su uso en la protección
de las quemaduras solares ó golpes de sol en los frutos debido a su capacidad para absorber
las ondas cortas de la radiación solar.
▪ Farmacéutica: En la elaboración de medicamentos por ser químicamente inerte y libre de
bacterias. (En México su nombre comercial es Kaomycin )
▪ Cosméticos: Es uno de los principales componentes de los cosméticos. Absorbe humedad,
mejora las bases blancas para colores, se adhiere a la piel y tiene textura suave.
▪ Construcción: Usado como terraplén y como material crudo en la formulación de crisolita
y placas de vidrio. Usado para producir arcillas pesadas. En pistas para aterrizaje de aviones
y en mezclas termoplásticas para techar. Como relleno en linóleo y en cementos resistentes
a los ácidos y refractarios. En cojines de fieltro para páneles o tableros de metal. En
revestimientos plásticos para ductos, ladrillos para pisos y para sellar mezclas. En mezclas
termoplásticas para techar. En el concreto mejora la durabilidad, remueve el hidróxido de
calcio químicamente activo, mejora la porosidad y la adhesión entre el cemento, la arena y
la grava.
▪ Material eléctrico: Es usado en la fabricación de cable eléctrico, en recubrimientos y
aislantes eléctricos. Da resistencia térmica.
▪ Caucho: Para reforzar el caucho y hacerlo más rígido.
▪ Hule: En la industria del hule es usado como carga y por su resistencia a la humedad y
ataque químico. Mezcla bien con el hule, le incrementa la dureza y durabilidad.
▪ Metales: En ruedas abrasivas, para soldar cubiertas en varillas y en material de adherencia
en fundición
▪ Química: En la elaboración de productos como sulfato de aluminio, alúmina y alumbre;
en catalizadores y absorbentes; en el acabado de textiles; en jabón, recubrimientos,
curtiduría y productos de asbesto; en ruedas abrasivas, como material de adherencia en
fundición y para soldar cubiertas en varillas.
Arcilla illita o colápsales
Las "ilitas" tienen una estructura analoga a la de las montmorilonitas, pero su constitución
interna presenta una tendencia a formar grumos de materia, su expansividad es menor a la
de las montmorilonitas y en general, las arcillas ilitas, se comportan mecánicamente en
forma mas favorable para el ingeniero civil.
Arcilla montmorillonitas o expansivas
Las "montmorilonitas" estan formadas por una lámina alumínica y dos silícicas, en este tipo
de arcilla la unión entre las retículas es débil, por lo que las moléculas del agua pueden
introducirse en la estructura con relativa facilidad. Son expansivas ya que debido a lo
anterior, se produce un incremento volumétrico de La montmorillonita es un mineral del
grupo de los silicatos, subgrupo filosilicatos y dentro de ellos pertenece a las llamadas
arcillas. Es un hidroxisilicato de magnesio y aluminio, con otros posibles elementos.
Recibe su nombre de la localidad francesa de Montmorillon. Se caracteriza por una
composición química inconstante. Es soluble en ácidos y se expande al contacto con agua.
Estructuralmente se compone por una capa central que contiene aluminio y magnesio
coordinados octaédricamente en forma de óxidos e hidróxidos. Dicha capa central está
rodeada por otras dos capas. Las capas externas están formadas por óxidos de silicio
coordinados tetraédricamente.
Para cimentación de construcciones es uno de los terrenos en los que se deben tomar más
precauciones debido a su carácter expansivo. También posee propiedades tixotrópicas, lo
que permite su utilización como lodos de perforación.e los cristales y presentan una fuerte
tendencia a la inestabilidad