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DETERMINACIÓN DE LA SUPERFICIE ESPECÍFICA EN SUELOS CAOLINÍTICOS Y BENTONÍTICOS MEDIANTE LA TÉCNICA DE ADSORCIÓN DE AGUA DESTILADA APLICANDO DIFERENTES GRADIENTES TÉRMICOS
BREIDY JULIETH PARRADO MORERA
JULIETH TATIANA TOLOZA CALDERÓN
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2017
DETERMINACIÓN DE LA SUPERFICIE ESPECÍFICA EN SUELOS CAOLINÍTICOS Y BENTONÍTICOS MEDIANTE LA TÉCNICA DE ADSORCIÓN DE AGUA DESTILADA APLICANDO DIFERENTES GRADIENTES TÉRMICOS
BREIDY JULIETH PARRADO MORERA
JULIETH TATIANA TOLOZA CALDERÓN
Trabajo de grado para optar al título de ingeniero civil
Director JUAN CARLOS RUGE CÁRDENAS
Ingeniero civil
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2017
Nota de aceptación
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________ Firma del presidente del jurado
____________________________ Firma del jurado
____________________________ Firma del jurado
Bogotá D.C., 17 de mayo de 2017
A Dios, por la vida y permitirnos alcanzar un nuevo logro.
A nuestros padres, por ser el apoyo incondicional en esta etapa de vida.
Al ingeniero Juan Carlos Ruge, por compartir conocimiento y experiencia en el desarrollo del proyecto.
Y a todas aquellas personas que aportaron su conocimiento en nuestra formación.
CONTENIDO
GLOSARIO ............................................................................................................ 14
RESUMEN ............................................................................................................. 16
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 18
1 GENERALIDADES .......................................................................................... 19
1.1 ANTECEDENTES ..................................................................................... 19
1.1.1 Aproximación al valor de superficie específica por un método manual
y simple. .......................................................................................................... 19
1.1.2 Superficie específica de una bentonita mediante la adsorción de azul
de metileno. ..................................................................................................... 19
1.1.3 Estudio de la capacidad de adsorción de azul de metileno de arcillas
minerales modificadas térmicamente. ............................................................. 19
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................... 20
1.3 OBJETIVOS .............................................................................................. 21
1.3.1 General. ............................................................................................. 21
1.3.2 Específicos. ........................................................................................ 21
1.4 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 21
1.5 DELIMITACIÓN ........................................................................................ 22
2 MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 23
2.1 HISTORIA DE LA MECÁNICA DE SUELOS ............................................ 23
2.2 EL SUELO ................................................................................................ 24
2.3 FACTORES CONSTITUYENTES DEL SUELO ........................................ 24
2.3.1 El agua. .............................................................................................. 25
2.3.2 El sol. ................................................................................................. 25
2.3.3 El viento. ............................................................................................ 26
2.3.4 Meteorización. .................................................................................... 26
2.3.4.1. Meteorización física. ....................................................................... 27
2.3.4.2. Meteorización química. .................................................................. 27
2.4 TIPOS DE SUELO .................................................................................... 27
2.5 CLASIFICACIÓN DEL SUELO ................................................................. 28
2.5.1 Suelos gruesos................................................................................... 29
2.5.1.1. Gravas. ........................................................................................... 29
2.5.1.2. Arenas. ........................................................................................... 30
2.5.2 Suelos finos. ....................................................................................... 30
2.5.2.1. Limos. ............................................................................................. 30
2.5.2.2. Arcilla orgánica. .............................................................................. 30
2.5.2.3. Turba. ............................................................................................. 31
2.6 SUELOS EXPANSIVOS ........................................................................... 31
2.7 ENSAYOS COMUNES DE CARACTERIZACIÓN DE ARCILLAS ............ 32
2.7.1 Análisis granulométrico por medio del hidrómetro.............................. 32
2.7.2 Límites de Atterberg ........................................................................... 32
2.7.2.1. Límite de plástico (PL). ................................................................... 33
2.7.2.2. Límite de Líquido (LL). ................................................................... 33
2.7.2.3. Índice de plasticidad. ...................................................................... 34
2.7.3 Gravedad específica. ......................................................................... 34
2.7.4 Método de adsorción de agua. ........................................................... 34
3 MARCO CONCEPTUAL .................................................................................. 35
3.1 ARCILLAS ................................................................................................ 35
3.2 TIPOS DE ARCILLAS ............................................................................... 35
3.2.1 Las ilitas. ............................................................................................ 35
3.2.2 Bentonita. ........................................................................................... 36
3.2.3 Caolinita. ............................................................................................ 36
3.2.4 Montmorillonita. .................................................................................. 36
3.2.5 Biotita. ................................................................................................ 36
3.2.6 Arcillas plásticas. ................................................................................ 36
3.2.7 Gres (arenisca)................................................................................... 36
3.3 MINERALES CONSTITUTIVOS DE LAS ARCILLAS ............................... 37
3.4 UNIDADES ESTRUCTURALES ............................................................... 37
3.4.1 Unidad tetraédrica. ............................................................................. 37
3.4.2 Unidad octaédrica. ............................................................................. 38
3.5 CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES ARCILLOSOS ........................... 39
3.5.1 Grupo de caolinitas. ........................................................................... 39
3.5.2 Grupo de ilitas. ................................................................................... 40
3.5.3 Grupo de montmorilonitas. ................................................................. 40
3.6 ESTRUCTURA MINERALÓGICA ............................................................. 41
3.7 PROPIEDADES QUÍMICAS ..................................................................... 43
3.7.1 Adsorción. .......................................................................................... 44
3.7.2 Hidratación e hinchamiento. ............................................................... 44
3.7.3 Superficie específica. ......................................................................... 44
3.7.4 Porosidad. .......................................................................................... 45
3.7.5 Color. .................................................................................................. 45
3.7.6 Tixotropía. .......................................................................................... 46
3.7.7 Permeabilidad. ................................................................................... 46
3.8 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS ARCILLAS ........................ 46
3.8.1 Resistencia en estado seco. .............................................................. 46
3.8.2 Dilatación. .......................................................................................... 47
3.8.3 Tenacidad. ......................................................................................... 47
3.8.4 Índice de tenacidad (𝑻𝒘). ................................................................... 47
3.8.5 Actividad. ............................................................................................ 47
3.8.6 Contenido de humedad. ..................................................................... 48
3.8.7 Sensitividad (ST). ................................................................................ 48
3.8.8 Consistencia y plasticidad. ................................................................. 48
3.9 ARCILLAS INDUSTRIALES ..................................................................... 49
3.9.1 Bentonita. ........................................................................................... 50
3.9.2 Uso de la bentonita. ........................................................................... 50
3.9.3 Uso ingenieril. .................................................................................... 51
3.10 CAOLINITA ............................................................................................ 51
3.10.1 Uso ingenieril .................................................................................. 53
4 METODOLOGÍA .............................................................................................. 54
4.1 Recopilación de información ..................................................................... 54
4.2 Selección de las arcillas a estudiar ........................................................... 54
4.3 Caracterización de las arcillas .................................................................. 54
4.3.1 Ensayo de gravedad específica. ........................................................ 55
4.3.1.1 Gravedad específica – Bentonita ................................................. 57
4.3.1.2 Gravedad específica – Caolinita. ................................................. 58
4.3.2 Ensayo de análisis granulométrico por hidrómetro............................. 58
4.3.2.1 Granulometría por hidrómetro. ..................................................... 59
4.4 Aplicación de gradientes térmicos ............................................................ 61
4.5 Determinación de la superficie específica ................................................. 62
5 RESULTADOS ................................................................................................ 66
5.1 Resultados de la Bentonita ....................................................................... 66
5.2 Resultados de la Caolinita ........................................................................ 67
5.3 Resultado de los límites de consistencia .................................................. 69
6 ANÁLISIS DE RESULTADOS ......................................................................... 89
6.1 Bentonita ................................................................................................... 89
6.1.1 Variación del límite líquido. ................................................................ 89
6.1.2 Variación del límite plástico ................................................................ 90
6.1.3 Variación del índice de plasticidad ..................................................... 90
6.1.4 Variación de la superficie específica .................................................. 91
6.2 Caolinita .................................................................................................... 93
6.2.1 Variación del límite líquido ................................................................. 93
6.2.2 Variación del límite plástico ................................................................ 93
6.2.3 Variación del índice de plasticidad ..................................................... 94
6.2.4 Variación de la superficie específica .................................................. 95
6.3 Comparación superficie específica de las arcillas .................................... 97
7 CONCLUSIONES ............................................................................................ 98
8 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 100
LISTA DE IMÁGENES
Imagen 1. Agrietamiento y Presión del agua en rocas. .......................................... 25 Imagen 2. Fenómeno de exfoliación en un esquisto (roca metamórfica). .............. 26
Imagen 3. Dunas de arena. ................................................................................... 26 Imagen 4. Tipos de suelos. .................................................................................... 28 Imagen 5. Átomo de silicio rodeado de cuatro átomos de oxígeno. ....................... 37 Imagen 6. Unidad tetraédrica. ................................................................................ 38 Imagen 7. Capa tetraédrica. .................................................................................. 38
Imagen 8. Unidad octaédrica. ................................................................................ 39 Imagen 9. Capa tetraédrica. .................................................................................. 39
Imagen 10. Arcilla caolinítica. ................................................................................ 40
Imagen 11. Arcilla Ilita ............................................................................................ 40 Imagen 12. Arcilla montmorilonita. ......................................................................... 41
Imagen 13. Estructura tetraédrica (𝑆𝑖 − 𝑂) ............................................................ 41
Imagen 14. Capa tetraédrica de un filosilicato. ...................................................... 42 Imagen 15. Estructura interna de un tetraedro y un octaedro cuando se unen. .... 43
Imagen 16. Hidratación interna en una arcilla. ....................................................... 44 Imagen 17. Formación de la Doble capa difusa entorno a un cristal de arcilla sumergido en agua. ............................................................................................... 45
Imagen 18. Plasticidad de una arcilla. ................................................................... 48 Imagen 19. Límites de Atterberg ............................................................................ 49
Imagen 20. Caolín extrusionado. ........................................................................... 52
Imagen 21. Caolín micronizado y seco. ................................................................. 52
Imagen 22. Calibración del picnómetro .................................................................. 56 Imagen 23. Picnómetro, material y agua ............................................................... 56
Imagen 24. Extracción de aire - cámara de vacío ................................................. 56 Imagen 25. Material antes de llevar al horno ......................................................... 56 Imagen 26. Material durante el proceso de secado ............................................... 57
Imagen 27. Material en estado seco ...................................................................... 57 Imagen 28. Registro datos ensayo hidrómetro. ..................................................... 59 Imagen 29. Muestra de arcilla ................................................................................ 61
Imagen 30. Material en estado natural ................................................................... 63 Imagen 31. Espátulas y Ranurador. ....................................................................... 63 Imagen 32. Cazuela de casa grande. .................................................................... 63
Imagen 33. Materia antes de ser saturado ............................................................ 63 Imagen 34. Material húmedo ................................................................................. 64 Imagen 35. Material saturado ................................................................................ 64 Imagen 36.cazuela con material. ........................................................................... 64
Imagen 37. Material a 110 °C ................................................................................ 64 Imagen 38. Material después de 24 h en el horno ................................................. 65 Imagen 39. Proceso de adsorción de agua ........................................................... 65
LISTA DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Análisis granulométrico de las arcillas ................................................... 60 Gráfica 2. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura ambiente..................... 69
Gráfica 3. Curva de fluidez Bentonita 7 días – temperatura ambiente ................... 70 Gráfica 4. Curva de fluidez Bentonita 15 días – temperatura ambiente ................. 71 Gráfica 5. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura ambiente ...................... 72 Gráfica 6. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura ambiente .................... 73 Gráfica 7. Curva de fluidez Caolinita 15 días – temperatura ambiente .................. 74
Gráfica 8. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura 100 °C ........................ 75
Gráfica 9. Curva de fluidez Bentonita 7 días – temperatura 100 °C ...................... 76 Gráfica 10. Curva de fluidez Bentonita 15 días – temperatura 100 °C................... 77
Gráfica 11. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura 100 °C ....................... 78 Gráfica 12. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura 100 °C ...................... 79 Gráfica 13. Curva de fluidez Caolinita 15 días – temperatura 100 °C .................... 80
Gráfica 14. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura 200 °C ...................... 81 Gráfica 15. Curva de fluidez Bentonita 7 días – temperatura 200 °C..................... 82 Gráfica 16. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura 200 °C ....................... 83
Gráfica 17. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura 200 °C ...................... 84 Gráfica 18. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura 250 °C ...................... 85
Gráfica 19. Curva de fluidez bentonita 7 días – temperatura 250 °C ..................... 86 Gráfica 20. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura 250 °C ....................... 87 Gráfica 21. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura 250 °C ...................... 88
Gráfica 22. Variación del límite líquido en la Bentonita .......................................... 89
Gráfica 23. Variación del límite plástico de la Bentonita ........................................ 90 Gráfica 24. Variación del índice de plasticidad de la Bentonita ............................. 91 Gráfica 25. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (1 día) ......................................................................................................................... 91 Gráfica 26. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (7 días) ....................................................................................................................... 92
Gráfica 27. Variación del límite líquido en la Caolinita ........................................... 93 Gráfica 28. Variación del límite plástico de la Caolinita ......................................... 94 Gráfica 29. Variación del índice de plasticidad de la Caolinita ............................... 94 Gráfica 30. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (1 día) ......................................................................................................................... 95
Gráfica 31. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (7 días) ....................................................................................................................... 96 Gráfica 32. Comparación de los valores de superficie específica de las dos acillas ............................................................................................................................... 97
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Gravedad específica (bentonita) .............................................................. 57 Tabla 2.Gravedad específica (caolinita) ................................................................. 58
Tabla 3. Datos granulometría por hidrómetro - bentonita ..................................... 59 Tabla 4. Datos granulometría por hidrómetro – caolinita ....................................... 60 Tabla 5. Resumen de muestras ensayadas ........................................................... 62 Tabla 6. Resultados Bentonita a temperatura ambiente ........................................ 66 Tabla 7. Resultados Bentonita a 100 °C ................................................................ 66
Tabla 8.Resultados Bentonita a 200 °C ................................................................. 67
Tabla 9. Resultados Bentonita a 250 °C ................................................................ 67 Tabla 10. Resultados Caolinita a temperatura ambiente ....................................... 67
Tabla 11. Resultados Caolinita a temperatura de 100 °C ...................................... 67 Tabla 12. Resultados Caolinita a temperatura de 200 °C ...................................... 68 Tabla 13. Resultados Caolinita a temperatura de 250 °C ...................................... 68
Tabla 14. Certificado de ensayo Número uno ........................................................ 69 Tabla 15. Certificado de ensayo Número dos ........................................................ 70 Tabla 16. Certificado de ensayo Número tres. ....................................................... 71
Tabla 17. Certificado de ensayo Número cuatro. ................................................... 72 Tabla 18. Certificado de ensayo Número cinco ..................................................... 73
Tabla 19. Certificado de ensayo Número seis ....................................................... 74 Tabla 20. Certificado de ensayo Número siete ...................................................... 75 Tabla 21. Certificado de ensayo Número ocho ...................................................... 76
Tabla 22. Certificado de ensayo Número nueve .................................................... 77
Tabla 23. Certificado de ensayo Número 10 .......................................................... 78 Tabla 24. Certificado de ensayo Número 11 .......................................................... 79 Tabla 25. Certificado de ensayo Número 12 .......................................................... 80
Tabla 26. Certificado de ensayo Número 13 .......................................................... 81 Tabla 27. Certificado de ensayo Número 14 .......................................................... 82 Tabla 28. Certificado de ensayo Número 15 .......................................................... 83
Tabla 29. Certificado de ensayo Número 16 .......................................................... 84 Tabla 30. Certificado de ensayo Número 17 .......................................................... 85 Tabla 31. Certificado de ensayo Número 18 .......................................................... 86 Tabla 32. Certificado de ensayo Número 19 .......................................................... 87
Tabla 33. Certificado de ensayo Número 20 .......................................................... 88
LISTA DE ANEXOS
Anexó 1. Tabla de clasificación suelos finos en el sistema USCS. ...................... 103 Anexó 2.Tabla de clasificación del sistema británico BS 5930. ........................... 104
Anexó 3. Tabla de clasificación de suelos de la ASSTHO. .................................. 105 Anexó 4. Clasificación de suelos por el método FAA. .......................................... 106
GLOSARIO
Adsorción. Proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en una superficie. Donde un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua mediante el contacto con una superficie sólida (adsorbente) (Barbosa, 2003).
Absorción. La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad); cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad (Garcia & Suárez, 2007).
Adsorbato. Sustancia adsorbida en la superficie de un adsorbente: el adsorbato se adhiere sobre la superficie del adsorbente por un proceso de adsorción (Donato & Marmolejo, 2013).
Aluminosilicatos. Mineral que contiene óxido de aluminio. Se suelen considerar como derivados de los silicatos debido al reemplazo de los iones, los cuales debido a la diferencia d cargas positivas, requieren cationes adicionales con la finalidad de poder alcanzar la neutralidad eléctrica (Pineda, 2013).
Compresibilidad. Propiedad de la materia a la cual hace que todos los cuerpos disminuyan su volumen al ser sometidos a una presión o compresión determinada manteniendo constantes otros parámetros (Montaña , 2013).
Conductividad hidráulica. Representa la mayor o menor facilidad con la que el medio deja pasar el agua a través de él por unidad de área transversal a la dirección del flujo (Donado & Colmenares, 2004).
Denudación. Proceso por el cual se determina la degradación de la superficie de un suelo donde comprende los procesos de meteorización, transporte y erosión (Ramos, 2012).
Deyección. Forma del terreno cuando una corriente de agua que fluye rápidamente en una zona más tendida donde su velocidad disminuye extendiéndose se cauce a una llanura plana (Gomez, 1996).
Dunas. Acumulación de arena generadas por el viento, por lo que poseen unas capas suaves y uniformes. Pueden ser producidas por cambios en el viento o por variaciones en la cantidad de arena (Cortes, 1996).
Depuración. Consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin eliminar los contaminantes físicos, químicos y biológicos presentes en el agua efluente del uso humano (Garcia S. , 2004).
Destilación. Proceso que consiste en separar los distintos componentes de una mezcla mediante el calor. Para ello se calienta la sustancia, normalmente en estado líquido, para que sus componentes más volátiles pasen a estado gaseoso y a
continuación volver esos componentes a estado líquido mediante condensación por enfriamiento (Guerra & Mallén , 2008).
Erosión. Los procesos naturales o químicos en la geología desgastan suelos o superficies rocosas, generadas por movimiento y transporte de material de un sitio a otro, permitiendo la modificación de sus propiedades y geografías (Abraham & Salomón , 2016).
Hidroxilo. Conjunto de átomos unidos a una cadena carbonada, característicos de los alcoholes entre otros compuestos orgánicos (Berry & Reid, 1993).
Humus. Es la sustancia compuesta por ciertos productos orgánicos de naturaleza coloidal, que proviene de la descomposición de los restos orgánicos por organismos y microorganismos benéficos (hongo y bacterias). Se caracteriza por su color negruzco debido a la gran cantidad de carbono que contiene. Se encuentra principalmente en las partes altas de los suelos con actividad orgánica (Juárez Badillo & Rico Rodríguez, 2005).
Ortoclasa. Es un mineral del grupo de los silicatos, es uno de los minerales formadores más abundantes de la corteza terrestre. Su forma de granos redondeados o en secciones de cristales bien formados y su color rosa, más o menos intenso asociándose a la formación del cuarzo (Garcia & Suárez, 2007).
Turbas. Material orgánico, que presenta color pardo oscuro y rico en carbono. Este material está formado por una masa esponjosa y ligera en la que aún se aprecian los componentes vegetales que la originaron. Funciona como obtención de abonos orgánicos (Thompson & Troeh, 2002).
16
RESUMEN
El estudio de las arcillas queda certificado por la creación de importantes grupos de investigación. La arcilla se considera y es definida de diversas maneras, es difícil de precisar depende de cada autor. Anteriormente las arcillas se consideraban altamente resistentes a la erosión provocada por el agua. El progreso ha sido la razón en la que el concepto de arcilla abarca los minerales propiamente cada uno con sus propiedades características en cuanto a su composición química y su comportamiento.
Pocos ejemplos hay de una materia prima que tenga una aplicación tan versátil y extensa como la arcilla. Debido a que la arcilla es responsable en gran medida de la actividad fisicoquímica del suelo, es por eso que muchos de los conocimientos sobre la arcilla provienen de investigaciones y extensos ensayos para determinar la razón de sus propiedades.
Sin embargo, entre las características que afectan la mineralogía de las arcillas nos encontramos con la superficie específica, donde se define, como el total de
superficie de partículas por unidad de volumen (𝑚2
𝑚3⁄ ) o de masa ( 𝑚2
𝑔𝑟⁄ ), por lo
que, a menor tamaño de partículas, mayor será su superficie específica.
Por este motivo, este trabajo se realizó con el fin de comprobar experimentalmente si estas dos arcillas de origen industrial se caracterizan como arcillas altamente resistentes para uso ingenieril, teniendo en cuenta resultados de ensayos en laboratorio a variación de gradientes térmicos.
Palabras Claves: arcilla, adsorción, superficie específica.
17
ABSTRACT
The study of clays is certified by the creation of important research groups. Clay is considered and defined in various ways, it is difficult to pinpoint it depends on each author. Previously the clays were considered highly resistant to the erosion caused by the water. Previously the clays were considered highly resistant to the erosion caused by the water. Progress has been the reason in which the concept of clay comprises minerals properly each with its characteristic properties in terms of its chemical composition and behavior.
Few examples are of a raw material that has an application as versatile and extensive as the clay. Because clay is largely responsible for the physicochemical activity of the soil, that is why many of the knowledge about clay comes from research and extensive trials to determine the reason for its properties.
However, among the characteristics that affect the mineralogy of clays we find the specific surface, where it is defined, as the total surface area of particles per unit
volume (𝑚2
𝑚3⁄ ) or mass ( 𝑚2
𝑔𝑟⁄ ), reason why, the smaller the particle size will be
its specific surface.
For this reason, this work was performed to verify experimentally if these two clays of industrial origin are characterized as highly resistant clays for engineering use, taking into account results of laboratory tests to variation of thermal gradients.
Key Words: clay, Adsorption Specific Surface.
18
INTRODUCCIÓN
En Colombia, según estudios realizados cerca del 12% del territorio está compuesto por depósitos de cenizas volcánicas localizadas principalmente en zonas de mayor índice demográfico, por ejemplo, la ciudad de Bogotá, Medellín, Pasto y el Eje Cafetero. Por otra parte, Colombia está ubicado en una zona tropical lo que permite el proceso acelerado de meteorización, estas condiciones facilitan la formación de arcillas.
La naturaleza de las arcillas es fundamentalmente expansiva, está relacionada directamente con el agua adsorbida. Las arcillas expansivas presentan estructuras que permiten la penetración del agua entre laminas tetraédricas y octaédricas a través de los enlaces de hidrogeno. Entre las arcillas más estudiadas se encuentran las bentonitas y caolinitas, la bentonita es un mineral arcilloso que se forma por descomposición de cenizas volcánicas; posee alta capacidad de adsorción debido a su elevada superficie específica. La caolinita es un mineral arcilloso conformado por caolín; esta arcilla se caracteriza por baja adsorción de agua al igual que superficie específica.
La superficie específica de una arcilla, que es la relación entre la superficie de una partícula (Sc) y su masa (m). Existen diferentes técnicas para determinarla, entre las cuales se encuentran: 1) adsorción de moléculas de un soluto, este método se recomienda para suelos expansivos, 2) adsorción de moléculas en estado gaseoso, por ejemplo, nitrógeno, vapor de agua o CO2 y 3) otras técnicas basadas en propiedades termodinámicas, en difusividad de los patrones de difracción de rayos X, o en propiedades eléctricas (Narsilio, y otros, 2004).
Debido a la importancia de relacionar la superficie específica de dos arcillas (caolinita y bentonita) se empleó el método de adsorción de moléculas de agua destilada sometiéndolas a diferentes gradientes de temperatura. De igual manera se analizaron las propiedades fisicoquímicas de las arcillas al someterlas a gradientes térmicos ya que a altas temperaturas la estructura cristalina de la arcilla se modifica de manera radical, permitiendo alcanzar altas resistencias y menor plasticidad.
Actualmente, las arcillas expansivas especialmente las bentonitas se han venido empleando para la depuración de aguas residuales, debido a su alta capacidad de adsorción, a su vez, también son empleadas para la separación de gases, líquidos y sustancias iónicas y no iónicas en una solución.
19
1 GENERALIDADES
1.1 ANTECEDENTES
1.1.1 Aproximación al valor de superficie específica por un método manual
y simple.
En septiembre del 2001 la Asociación Argentina De Materiales (SAM), desarrollo un trabajo de investigación para la determinación gravimétrica, a presión constante, de la adsorción de agua sobre una superficie sólida. Para validación del método se realizó también la medición de superficie específica mediante el método clásico (BET), los valores obtenidos se analizaron y compararon según cada grupo de minerales estudiados.
Los resultados obtenidos permitieron concluir la posibilidad de utilizar el método para realizar una aproximación a los valores de superficie específica determinada con el método BET, con la ventaja adicional de bajo costo y simplicidad de realización (Lombardi, y otros, 2001).
1.1.2 Superficie específica de una bentonita mediante la adsorción de azul
de metileno.
En mayo de 1997 el departamento de química de la Universidad Nacional, estudiaron la superficie específica de una bentonita colombiana, procedente del Valle del Cauca, mediante la adsorción de azul de metileno.
En la parte experimental, se secó a 110 °C la bentonita durante 48 horas. Las isotermas (equilibrio de adsorción en una superficie) de adsorción de azul de metileno se obtuvieron de muestras de 100 miligramos de bentonita colocadas en frascos con tapa, los cuales contenían 100 mililitros de solución de azul de metileno a diferentes concentraciones. Los frascos se agitaron durante 12 horas y luego se dejaron en reposo en un termostato a 25 °C por 24 horas. La concentración final se determinó mediante espectrometría a 630 nm (Bello, 1997).
1.1.3 Estudio de la capacidad de adsorción de azul de metileno de arcillas
minerales modificadas térmicamente.
En mayo del 2014 en el encuentro XXXV de la academia mexicana de investigación y docencia en ingeniería química A.C, se analizó la capacidad de adsorción de azul de metileno en dos arcillas (arcilla caolinita y arcilla montmorillonítas) del estado de Guanajuato (México), y el efecto que tiene en esta propiedad su reestructuración térmica.
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Se empleó la metodología Batch a 25 °C para estudiar la capacidad de adsorción de las arcillas. El tratamiento previo de las arcillas consistió en reducir su tamaño a 60 mallas Tyler y someterlas a calentamiento durante 3 horas a las temperaturas 200, 400, 700, 800, 900 y 1000 °C. Se colocaron 0,5 gr de arcilla en 200 ml de solución a 80 ppm de azul de metileno con agitación constante durante 3 horas. La adsorción se llevó a cabo midiendo la concentración de azul de metileno remanente en la solución (Torres Ochoa, y otros, 2014).
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La arcilla al someterse a altos gradientes de temperatura presenta una modificación en la estructura químico – física, disminuyendo la superficie específica y perdiendo la capacidad de adsorción. Pero cuando la superficie específica de la arcilla es mayor, la carga negativa aumenta, presentando una atracción de cationes de hidrogeno (+H) de la molécula de agua más relevante. Al ocurrir esa atracción, la partícula de arcilla obtiene elevada capacidad de adsorción de agua, por lo tanto, la doble capa difusa (capa que se forma después de la capa de agua adsorbida) se amplia.
Un fenómeno que es directamente proporcional a la adsorción es la plasticidad, debido a que la partícula de arcilla está rodeada por moléculas de agua fuertemente atraídas, que tienen libre movimiento alrededor de la superficie. Por lo tanto, cuando se generan compresiones en la arcilla el agua adsorbida se deforma generando desplazamiento de las partículas entre sí y en consecuencia se pueden presentar asentamientos (Berry, y otros, 1993).
En los ensayos de laboratorio se buscó determinar la superficie específica y su reacción a diferentes gradientes de temperatura en los dos tipos de arcillas (bentonita y Caolinita) empleando como soluto el agua. Para lograr el objetivo fue necesario saber la cantidad de agua que rodea una partícula de arcilla, conociendo que una molécula de agua mide 0,106nm2.
Consecuente al contexto, se identificó la siguiente problemática para el desarrollo del proyecto investigativo:
“la necesidad de determinar la superficie específica y la influencia de la temperatura en las propiedades fisicoquímicas de las arcillas”.
Partiendo de la problemática la interrogante planteada fue la siguiente:
¿Es posible analizar la evolución del comportamiento de la superficie específica mediante la aplicación de gradientes térmicos en una arcilla?
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1.3 OBJETIVOS
1.3.1 General.
Determinar la superficie específica en suelos caoliníticos y bentoníticos mediante la técnica de adsorción de agua destilada aplicando diferentes gradientes térmicos.
1.3.2 Específicos.
Caracterizar las muestras de arcilla utilizadas en la investigación mediante ensayos índice.
Analizar el comportamiento de las arcillas a diferentes gradientes térmicos con el fin de establecer las condiciones fisicoquímicas más favorables para el uso ingenieril.
Ejecutar los ensayos de adsorción de agua destilada para realizar una aproximación a la superficie específica de las muestras de arcilla.
Comparar los resultados de laboratorio con el propósito de establecer los tipos de arcilla que presentan variaciones en su superficie específica.
1.4 JUSTIFICACIÓN
Este trabajo de investigación tuvo viabilidad porque analizó la importancia del estudio de la superficie específica en arcillas. Asimismo, contribuyo al conocimiento del método de adsorción de agua destilada en arcillas debido a que este método tiene bajo reconocimiento a nivel mundial, y otorga valores de alta precisión. Los resultados obtenidos demuestran la susceptibilidad en las propiedades fisicoquímicas de las arcillas al someterlas a variaciones drásticas de temperatura, ya que cambian notablemente su capacidad de adsorber agua.
Por otra parte, el estudio de estas dos arcillas (bentonita y caolinita) permitió hacer una comparación en la plasticidad y su variación al aumentar la temperatura y tiempo de exposición de cada una de las muestras. Cabe resaltar que estas dos arcillas son completamente diferentes, ya que la bentonita es una arcilla inestable, debido a su alta capacidad de adsorción de agua, y la caolinita es una arcilla relativamente estable en presencia de agua. Estas dos arcillas son empleadas en la industria en campos totalmente contrarios. Por ejemplo, la bentonita es usada para estabilizar y la caolinita en la industria farmacéutica.
Finalmente, este proyecto benefició a la comunidad investigativa del área de geotecnia, ya que aportó conocimiento y una nueva metodología para determinar la superficie específica en suelos empleando laboratorios con tecnología básica.
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Además, contribuye como antecedente para futuras investigaciones en arcillas en la Universidad Católica de Colombia.
1.5 DELIMITACIÓN
El periodo que se estableció para realizar el proyecto fue de aproximadamente 97 días (3 meses). En este lapso de tiempo se organizó de manera precisa cada una de las actividades a realizar, ya que las principales limitaciones se reflejaron en la dificultad de acceder a la información debido a que el ensayo de adsorción de agua destilada no es comúnmente empleado para la determinación de superficie específica en arcillas, por lo cual la información del método de adsorción de agua destilada es escasa.
Por otra parte, se hizo uso las instalaciones de laboratorio de la universidad católica de Colombia, especialmente los hornos. Estos hornos, fueron realmente la principal limitación para desarrollar la investigación, debido a que no alcanzan temperaturas mayoras a 250°C, y, además, solamente se contaba con un horno, de tal manera que no fue posible emplear gradientes mayores a dicha temperatura, ni tampoco aumentar el tiempo de exposición, impidiendo obtener cambios significativos en la estructura cristalina de la arcilla.
Los alcances fueron la determinación de la superficie específica de las muestras de arcillas bentonita y Caolinita, utilizando diferentes gradientes de temperatura. Como derivación se realizó un documento con los resultados obtenidos en los laboratorios y sus respectivos análisis, centrados en la comparación de la superficie específica y los ensayos índice de las dos arcillas. También se llevó a cabo un artículo científico y un poster para complementar y divulgar la investigación.
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2 MARCO TEÓRICO
2.1 HISTORIA DE LA MECÁNICA DE SUELOS
La tierra es uno de los elementos más abundantes en el planeta, y es uno de los principales materiales usados para la construcción convirtiéndose en un componente significativo para la ingeniería. Por tal motivo se ha generado un interés en el estudio de las características y el comportamiento de los diferentes tipos de suelos ya que cada uno se comporta de manera diferente; Partiendo de esto se originó una ciencia llamando mecánica de suelos.
La mecánica de suelos es una ciencia que estudia el comportamiento y propiedades de los suelos, a lo largo de la historia varios personajes han aportado conocimiento mediante diferentes estudios realizados. Entre los pioneros se encuentra Carlos A. de Coulomb, quien estudio una metodología para la determinación de la superficie de falla en los suelos en el año 1840, y Karl Terzaghi quien años más tarde se dedicó a realizar diversas investigaciones que marcaron el desarrollo del estudio de suelos, por esta razón es conocido como el padre de la mecánica de suelos.
Entre los diferentes tipos de suelos se encuentran las arcillas, que han ocupado un lugar importante través de la historia, ya que desde tiempos inmemorables el hombre la usaba para elaborar utensilios principalmente relacionados con la cerámica. Civilizaciones como la mesopotámica fueron construidas con este material como lo muestra los diferentes hallazgos en tumbas alrededor del mundo.
Además, las arcillas son objeto de estudio debido a que es un material altamente inestable y que se encuentra de manera abundante en la naturaleza. Desde el siglo XVIII surgió el estudio de las propiedades de las arcillas, pero en el siglo XIX con el descubrimiento del microscopio se intensifico el estudio de la mineralogía de las arcillas.
El progreso del estudio de las arcillas ha sido laborioso, debido a que el concepto de arcilla engloba muchas características de composición química, comportamiento físico y constitución. Diversos estudios realizados en arcillas revelaban que la composición era totalmente variable de un tipo a otro. La caracterización de arcillas por grupos se originó desde el año 1925, cuando varios investigadores se interesaron por estudiar detalladamente los minerales de arcilla en la naturaleza y los mecanismos de intercambio iónico de cada uno (Besoain, 1985).
En la actualidad, las arcillas son un campo que cada día genera mayor estudio, y a su vez genera mayor información que facilita el estudio de sus propiedades y comportamiento para futuras generaciones. Se espera que el conocimiento de las arcillas avance de manera exponencial tal que sea posible conocer métodos de estabilización más precisos, dependiendo el tipo de suelo que se encuentre en la naturaleza, esta es una meta que debe lograr la ingeniería civil.
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2.2 EL SUELO
El suelo está compuesto por muchas partículas individuales, aire y/o Agua (la cual juega un papel importante en el comportamiento fisicoquímico del suelo), que rellenan los vacíos entre ellas y trabajan de manera organizada, pero las propiedades de las partículas varían entre sí, de manera horizontal rápidamente.
De acuerdo con el origen de sus elementos, los suelos se dividen en dos amplios grupos: suelos cuyo origen se debe a la descomposición física y/o química de las rocas, o sea los suelos inorgánicos, y suelos cuyo origen es principalmente orgánico.
A través de un proceso de desintegración mecánica y descomposición química, las rocas de la corteza terrestre forman los materiales sueltos que se encuentran en ella. El suelo se presenta como una delgada capa sobre la corteza terrestre de material que provine de la desintegración y/o alteración física y/o química de las rocas y de los residuos de las actividades de los seres vivos que sobre ella se asientan.
La desintegración mecánica refiere a la intemperización de las rocas por agentes físicos, tales como cambios periódicos de temperatura, acción de la congelación del agua en las juntas y grietas de las rocas, efectos de organismos, plantas, etc. Por estos fenómenos las rocas llegan a formar arenas, o cuando muchos, limos y solo en casos especiales arcillas.
El término de suelo es relativo, por ejemplo, para el geólogo es el resultado de procesos de meteorización de diferentes materiales; para el ingeniero civil, suelo es el conjunto de partículas minerales derivadas de la desintegración de rocas. A su vez, comúnmente, la palabra suelo es atribuida a la corteza terrestre del planeta.
De manera general, la palabra suelo simboliza todo tipo de material compuesto por partículas derivadas de roca o materia orgánica de la corteza terrestre. Por ejemplo, relleno, arena, arcilla, areniscas y lulitas. Es importante aclarar que no se incluyen las rocas sanas, ígneas o metamórficas y depósitos sedimentarios altamente cementados que se desintegren con rapidez (Juárez Badillo, y otros, 2005).
Los suelos deben, pues, su origen a una tal variedad de causas que excede todo poder de descripción detallada. El resultado de ese conjunto de causas, es una inmensa diversidad de tipos de suelo resultantes. También debe notarse que su formación ha ocurrido a través de las eras geológicas, tal como sigue ocurriendo hoy; en consecuencia, el hombre es completamente ajeno a la génesis del suelo.
2.3 FACTORES CONSTITUYENTES DEL SUELO
La corteza terrestre está constituida principalmente por rocas cuya formación geológica comprende millones de años. Conjuntamente, las rocas son afectadas por los procesos de desintegración y descomposición continúa causada por la
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meteorización. Estos dos procesos están ligados directamente a la exposición a factores abióticos como el agua, sol y viento.
2.3.1 El agua.
Es la principal causa de erosión al estar en movimiento; al arrastrar fragmentos de roca angulosos se produce fricción entre ellos generando los cantos rodados en ríos. Por otro lado, cuando el agua cae en forma de lluvia llena las cavidades superficiales de la roca, abre grietas y llena los vacíos internos. Si el agua encerrada llega a congelarse, aumenta su volumen y ejerce dentro de la roca una fuerte presión que causa fracturación, por lo tanto, desintegración en corto periodo de tiempo.
En la siguiente imagen 1, se puede apreciar con mayor claridad este fenómeno.
En la primera parte, se observa como el agua al caer como lluvia llena las grietas de la roca, posteriormente, en la segunda parte, el agua cambia de estado líquido a solido (hielo), generando un aumento en su volumen, y a su vez, ejerciendo presión en las paredes de la roca debido a que necesita espacio para expandirse. Por último, se generan fracturas en la roca.
Imagen 1. Agrietamiento y Presión del agua en rocas.
Fuente. (Alva, 1998).
2.3.2 El sol.
Actúa directamente sobre las rocas, calentando con mayor potencia la parte exterior que la interior. Este fenómeno genera diferenciales de expansión y a su vez esfuerzos elevados, dando como resultado el rompimiento de la capa superficial y desprendimiento de la misma, esto es conocido como exfoliación (imagen 2). Este proceso es variable dependiendo de la altura sobre el nivel del mar, ubicación, temporada del año y los tipos de roca (ígneos o sedimentarios). Las rocas sedimentarias al ser principalmente blandas son afectadas con mayor intensidad
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por el sol, debido a que la gran mayoría presentan grano grueso y están compuestas por minerales con coeficientes de dilatación que varían entre sí (Villalaz, 2004).
Imagen 2. Fenómeno de exfoliación en un esquisto (roca metamórfica).
Fuente. Griem (2005).
2.3.3 El viento.
Al igual que el agua contribuye directamente en la erosión, especialmente cuando el suelo es arenoso, como lo son los suelos eólicos. Un ejemplo del fenómeno causado por el viendo son las dunas (imagen 3).
Imagen 3. Dunas de arena.
Fuente. National Geographic (2013).
Ahora, teniendo claro el efecto de los factores anteriormente nombrados en las rocas, es necesario abarcar el concepto de meteorización.
2.3.4 Meteorización.
Es la descomposición que presentan las rocas debido a la exposición a factores ambientales. De manera general, se puede clasificar en dos grupos:
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2.3.4.1. Meteorización física. Es el “proceso de fragmentación física o desintegración de la masa de roca” (Peter L. Berry, y otros, 1993). La fragmentación como se explicaba anteriormente genera vulnerabilidad en la roca, acelerando la desintegración física y posteriormente generación de suelos.
2.3.4.2. Meteorización química. Es el proceso de descomposición química de los minerales que conforman la roca. De tal manera que el 98% de la corteza terrestre está compuesta por oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio y magnesio; minerales que constituyen las rocas (Peter L. Berry, y otros, 1993).
2.4 TIPOS DE SUELO
Los suelos se dividen en dos amplios grupos: suelos cuyo origen está ligado a la meteorización de las rocas como se mencionaba anteriormente, este grupo se denomina suelos inorgánicos; el otro grupo pertenece a los suelos cuyo origen es principalmente orgánico.
Ahora, si un suelo inorgánico permanece en el sitio donde la roca que lo constituye se formó, origina un suelo residual. A su vez, si se generan suelos que sobreyacen sobre otros estratos sin relación directa con ellos, a estos suelos se les denomina suelos transportados.
En el caso de los suelos orgánicos, ellos se forman casi siempre in situ. En algunas ocasiones la materia orgánica, ya sea en forma de humus o de materia no descompuesta, presenta una alta relación con un suelo inorgánico debido que las propiedades que pudieran derivar de la porción mineral quedan eliminadas. Esto es muy común en las zonas pantanosas, en la cual los restos de vegetación llegan a formar verdaderos depósitos de gran espesor, generalmente conocidos como turbas. Se caracterizan por su color negro o café oscuro, por bajo peso cuando están secos y su gran compresibilidad y porosidad (Villalaz, 2004).
En la imagen 4, se observan los diferentes tipos de suelos.
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Imagen 4. Tipos de suelos.
Fuente. (Villalaz, 2004).
2.5 CLASIFICACIÓN DEL SUELO
La identificación del suelo, depende de los principales sistemas de clasificación, donde el objetivo es establecer un lenguaje común y relacionar propiedades con determinados grupos de suelos, considerando el suelo como material, los sistemas principales de clasificación son:
Sistema unificado de clasificación de suelos USCS.
American Association of state highway oficial AASHTO.
Sistemas británicos BS.
FAA
El sistema unificado de clasificación de suelos USCS (ASTM, 2014) define a la arcilla como el suelo que pasa el tamiz N°200 (0,075mm), siendo un determinado suelo con propiedades plásticas dentro de cierto intervalo en humedad, al secarse al aire, genera una considerable resistencia. entre este sistema se encuentran los siguientes suelos:
Arcilla orgánica. Es un suelo que es clasificado como arcilla o limo, excepto que su límite líquido después de secado al horno es menor que el 75% de este valor antes de ser secado, pues es una arcilla o limo, que contienen un alto contenido de materia orgánica como para influir en las propiedades del suelo.
En este sistema se hace uso de los sufijos, que permiten identificar algunas características particulares, donde un suelo bien gradado se identifica con la letra
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W debido a su traducción del inglés “Well graded”, mal gradado P del inglés “Poorly graded”, suelo de baja plasticidad y límite líquido menor a 50%, del inglés “Low plasticity” y finalmente suelo de alta plasticidad con límite líquido mayor del 50%, del inglés “High plasticity”.
Respecto a los sufijos, al ser combinados con los prefijos de los materiales limo (M), arcilla (C), suelo orgánico (O), arena (S) y grava (G), se permite hacer una mejor descripción del suelo analizado, puesto que, su simbología doble hace referencia al tipo de material y su estado plástico o de gradación, ver Anexó 1.
Para el sistema británico BS-BSCS (Lescano, 2015) consideran que los suelos finos se categorizan si entre el 15% y el 35% de la muestra de suelo en peso, es inferior 0,06mm, especificando como limoso (M) y arcilloso (C), esto según los valores de la carta de plasticidad del sistema británico BS 5930 ver Anexó 2.
El sistema (AASHTO M 145. (s.f.)) hace su clasificación entres siete (7) grupos, donde el material limo arcilloso, es un material calificado entre regular a malo, este pasa más del 35% del tamiz N°200 y se comprende como suelos limoso en los grupos A-4 y A-5, y los suelos arcillosos están descritos en los grupos A-6, A-7, A-7-5 y A-7-6, como características especiales en este tipo de suelos, según su clasificación, comprenden grandes cambios de volumen en estado seco y húmedo, debido al elevado límite líquido que permite que sea elástico y compresible. Ver Anexó 3.
Según el sistema (FAA, 2011), la arcilla es aquella que pasa el tamiz N°270 y cuyas partículas son menores de 0,005mm, y los limos son material que pasa el tamiz N°270 y sus partículas comprenden entre 0,05mm y 0,005mm. Ver Anexó 4.
Teniendo en cuenta que la terminología arcilla, para los sistemas de clasificación, es muy técnica debido a los ensayos que permite identificar este tipo de suelo, y generalizando que es un suelo plástico, debido a su contenido de humedad, lo que permite que cuando se seca al aire se vuelva de gran resistencia, cambiando su volumen.
Los suelos se dividen en dos principales grupos.
2.5.1 Suelos gruesos.
En los suelos gruesos se tienen las gravas (G) y las arenas (S) de tal modo que un suelo pertenece al grupo de las gravas (G) si más de la mitad de la fracción gruesa es retenida por la malla N°4, y pertenece al grupo de las arenas (S) en caso contrario.
2.5.1.1. Gravas. Las gravas son reservas sueltas de fragmentos de rocas y que tienen más de dos milímetros de diámetro. Sin embargo, estas son arrastradas por las aguas en movimiento, generando desgaste en sus aristas, y, por lo tanto, redondeándolas. Como material suelto suele encontrársele en los lechos, en las márgenes y en los conos de deyección de los ríos. Las gravas ocupan grandes
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extensiones, pero casi siempre se encuentran con mayor o menor proporción de cantos rodados, arenas, limos y arcillas. Sus partículas varían desde 7.62 cm (3”) hasta 2.0 mm.
2.5.1.2. Arenas. Son materiales de granos finos procedentes de la erosión de las rocas o de su trituración artificial, y cuyas partículas varían entre 2 mm y 0.05 mm de diámetro.
El origen de las arenas es semejante a las gravas: las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de rio contiene a menudo proporciones relativamente grandes de grava y de arcilla. Las arenas estando limpias no se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprime casi de manera instantánea.
Tanto las gravas como las arenas se dividen en cuatro grupos (GW, GP, GM, GC) y (SW, SP, SM, SC), respectivamente. En el símbolo GW, el prefijo G (gravel) se refiere a las gravas y W (Well graded) quiere decir bien gradado. De igual modo, el símbolo GP indica gravas pobremente o mal gradadas, el símbolo GM indica gravas limosas. Asimismo, los símbolos SW, SP, SM y SC indican arenas bien gradadas, arenas mal gradadas, arenas limosas y arenas arcillosas respectivamente.
2.5.2 Suelos finos.
En lo suelos finos el sistema unificado los considera agrupados en tres grupos para los limos y arcillas con límite líquido menor de 50%, en tres grupos para los limos y arcillas con límite mayor de 50% y en grupo para suelos finos altamente orgánicos. Si el límite líquido del suelo es menor de 50%, es decir, si el suelo es de compresibilidad baja o media, se añade el sufijo L a los prefijos M, C y O, obteniéndose de ese modo los símbolos ML (limos inorgánicos de baja compresibilidad) y CL (arcillas inorgánicas de baja compresibilidad) y OL (limos orgánicos de baja compresibilidad). Si el límite líquido es mayor de 50% es decir, si el suelo es de compresibilidad alta, se añade el sufijo H a los prefijos M, C y O, obteniéndose así los símbolos MH (limos orgánicos de alta compresibilidad), CH (arcillas inorgánicas de alta compresibilidad) y OH (arcillas orgánicas de alta compresibilidad).
2.5.2.1. Limos. Los limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, el diámetro de las partículas está comprendido entre 0.05 mm y 0.005 mm; su color varía desde gris claro a muy oscuro. La permeabilidad de los limos orgánicos es muy baja y su compresibilidad es muy alta. Además, de no encontrarse en estado denso, a menudo son considerados como suelos pobres para cimentar. Por lo tanto, los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para uso ingenieril.
2.5.2.2. Arcilla orgánica. Es un suelo que es clasificado como arcilla o limo, excepto que su límite líquido después de secado al horno es menor que el 75% de
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este valor antes de ser secado, pues es una arcilla o limo, que contienen un alto contenido de materia orgánica como para influir en las propiedades del suelo.
2.5.2.3. Turba. Está compuesto principalmente de materia vegetal en descomposición su color varía entre marrón oscuro a negro, su consistencia esponjosa con textura fibrosa y amorfa.
Junto a estos tipos de suelos se encuentran las arcillas, suelo en el que se centra el estudio, por lo tanto, se desarrollara todo un capitulo referente a sus características.
2.6 SUELOS EXPANSIVOS
A la hora de definir un suelo expansivo cada autor tiene diferentes opiniones, a continuación, se utilizará la definición de Beltrán M, de 1991.
“Un suelo expansivo puede definirse, como un tipo de suelo que se hincha y contrae causando daños, frecuentemente presenta un contenido coloidal alto, con valores altos de límite líquido, altos índices de plasticidad y de actividad. Pueden ser de origen variado, duros en estado seco, pero se vuelven blandos cuando se les permite absorber agua y pueden ejercer grandes presiones de expansión. La permeabilidad es muy baja salvo cuando e suelo esta fisurado, seco y el agua puede circular por las grietas abiertas” (Rincon, y otros, 2010).
Es importante tener claro que la expansión en los suelos es uno de los principales factores que causan daños en las cimentaciones, tales como los asentamientos diferencias. Por tal motivo, la presencia de estos suelos en lugares es un verdadero dolor de cabeza, ya que se debe realizar una cimentación más profunda o grande, generando un sobrecosto en la ejecución de obras.
En Colombia, existen depósitos de suelos arcillosos expansivos que tienen alta capacidad de absorción de agua, y, por lo tanto, generan grandes cambios volumétricos; a estos suelos se es denomina suelos activos.
Otro problema que presentan los suelos expansivos es la actividad en épocas de lluvias, esta actividad se conoce con el nombre de tipo estacionario, ya que su ocurrencia depende de la temporada por la cual se está pasando. De tal manera, es preciso decir que la expansión es menor en zonas áridas y en épocas secas; debido a que es controlada por la vegetación, que absorbe el agua subterránea. El verdadero problema se centra en temporadas lluviosas, porqué el suelo absorbe gran cantidad de agua y las plantas no son capaces de absorber el exceso de contenido de humedad. Por lo tanto, se generan cambios volumétricos elevados en temporada de lluvias. Otro problema que ocurre generalmente en las calles es la generación de hundimientos en lugares cercanos a árboles, este suceso ocurre a causa de largas temporadas secas; ya que los arboles absorben el agua que está
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contenida por el suelo y a su vez el suelo presenta un cambio volumétrico o hundimientos.
El grado de expansión de estos suelos depende del tipo de minerales arcillosos activos, que son los causantes de la atracción de agua. Estos minerales se caracterizan por tener partículas de tamaños muy pequeños, grandes superficies específicas y cargas eléctricas desbalanceadas. El mineral arcilloso más activo es la montmorillonita (Casadiegos, 2010).
2.7 ENSAYOS COMUNES DE CARACTERIZACIÓN DE ARCILLAS
Los ensayos de laboratorio se realizan con el propósito de determinar las características geotécnicas del suelo estudiado. Estos ensayos se elaboran sobre las muestras previamente obtenidas y dependiendo del tipo de ensayo, se determinan diferentes características de éste.
2.7.1 Análisis granulométrico por medio del hidrómetro.
Este ensayo determina cuantitativamente la distribución de los tamaños de las partículas de un suelo.
El ensayo se debe realizar exclusivamente a tamaños inferiores a 75 m o el porcentaje de material que pasa el tamiz N° 200, el procedimiento de este ensayo está determinado por la norma I. N.V. E –124 - 13 “análisis granulométrico por medio del hidrómetro” (NORMA INVIAS, 2013). En el caso del proyecto investigativo se realizará para caracterizar los dos tipos de arcillas (bentonitas y caolinitas).
Este ensayo se basado en el principio de sedimentación de granos de suelo en agua. Cuando una muestra de suelos se sedimenta en el agua, las partículas que se encuentran en movimiento se van asentando a diferentes velocidades debido a sus formas, tamaños y pesos. Por simplicidad, se supone que todas las partículas de los suelos son esferas y que la velocidad de las partículas se expresa por la ley de Stokes (Villalaz, 2004).
2.7.2 Límites de Atterberg
Originalmente Albert Atterberg definió seis “límites de consistencias” para los suelos finos, pero en el uso actual de la ingeniería el termino se aplica solamente a los límites líquido y plástico de los suelos, que más comúnmente son conocidos como límites de Atterberg estos límites dividen diferentes estados de consistencia de los suelos plásticos (NORMA INVIAS, 2013).
También conocidos como límites de consistencia y son aplicables solamente a material fino, se definen según Albert Mauritz Atterberg como:
“Fases generales por las que pasa el suelo al irse secando y no existen criterios estrictos para distinguir sus fronteras”.
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En los suelos según el contenido de agua se presentan cuatro estados básicos que definen el comportamiento del suelo, denominados: solidos, semisólido plástico y líquido (Das, 1999).
2.7.2.1. Límite de plástico (PL). INV E-126-13: límite plástico e índice de plasticidad de los suelos.
El límite plástico es el contenido de agua del suelo, expresado en porcentaje, n otras palabras, es cuando el suelo pasa de un estado semisólido a un estado sólido y se contrae al perder humedad.
En este en ensayo se obtiene el contenido más bajo de agua (porcentaje) con el cual el suelo al hacer rollitos de diámetro 3,2 mm, se desmorona. La norma I.N.V.E – 126 – 13 “Límite plástico e índice de plasticidad de suelos”, específica el procedimiento para determinar el índice de plasticidad (PI).
Después de seguir el procedimiento descrito en la norma se determina el límite pastico de la siguiente manera:
𝑃𝐼 = 𝐿𝐿 − 𝑃𝐿 [1]
Donde, el límite plástico se calcula de la siguiente manera:
𝑃𝐿 =𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑎𝑙 ℎ𝑜𝑟𝑛𝑜∗ 100 [2]
2.7.2.2. Límite de Líquido (LL). INV E-125-13: determinación del límite líquido de los suelos.
Es el límite en el cual el suelo pasa de un estado plástico a un estado líquido. La determinación del límite líquido interviene en varios sistemas de clasificación de suelos dado que contribuye en la caracterización de la facción fina de los suelos. El límite líquido, solo o en conjunto con el límite plástico y el índice de plasticidad, se usa con otras propiedades del suelo para establecer correlaciones sobre su comportamiento, los procesos de expansión y contracción y la resistencia al corte (INVIAS , 2007).
Donde se obtiene el contenido de agua en porcentaje requerido para cerrar una ranura de 12,7 mm a lo largo del fondo de la ranura a los 25 golpes. Casagrande (1932) concluyo que cada golpe a un dispositivo estándar para límite líquido equivale a una resistencia cortante del suelo de aproximadamente 1 gr/cm2 (Das, 1999). La Norma I.N.V.E – 125 - 13 “Determinación del Límite Líquido de los suelos” explica como determinar este límite (NORMA INVIAS, 2013).
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2.7.2.3. Índice de plasticidad. “Es el rango de contenidos de agua, dentro del cual un suelo se comporta plásticamente, numéricamente, es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico” (NORMA INVIAS, 2013). Este límite muestra el margen de contenidos de agua en que es trabajable una arcilla al resultar un valor alto se dice que es “más plástica”, si tiene un índice de plasticidad superior.
2.7.3 Gravedad específica.
INV E-128-13: determinación de la gravedad específica de las partículas de los suelos.
Es la relación entre la masa de un cierto volumen de solidos a una temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a igual temperatura. La temperatura generalmente usada como referencia es 20°C (NORMA INVIAS, 2013).
El valor de la gravedad específica radica su importancia en el cálculo de la relación de vacíos de un suelo ya que es necesaria para poder hallarla, además de servir para hacer el análisis hidrométrico, se usa en el ensayo de compactación proctor para graficar la recta de saturación máxima.
2.7.4 Método de adsorción de agua.
El método de adsorción de agua es un método de fácil realización y bajo costo que se puede ejecutar en cualquier laboratorio que cuente con los elementos básicos. Para el desarrollo del ensayo, las muestras de arcillas obtenidas deben ser sometidas a un proceso de secado en un horno a varias temperaturas durante 24 horas. Posteriormente son expuestas a una atmósfera saturada de agua por tiempo indefinido. Durante ese periodo de tiempo se determina gravimétricamente el peso cada 24 horas hasta obtener constancia. Ahora, conociendo el valor del peso seco de las muestras se determina el valor de adsorción de agua y se transforma en valor de superficie específica, considerando el área de la molécula de agua es de 0,106nm2 (Lombardi, y otros, 2001).
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3 MARCO CONCEPTUAL
3.1 ARCILLAS
La arcilla es un mineral compuesto principalmente por silicatos de aluminio hidratados, con partículas de tamaños menores a 2μ (Besoain, 1985). Son producto del envejecimiento geológico de la superficie terrestre, siendo de abundancia en la naturaleza, de fácil obtención y de gran importancia en la industria (Casadiegos, 2010). Además, “son agregados que su comportamiento está dominado principalmente por la actividad electroquímica” (Celedón Simón, y otros, 2001).
Una de las propiedades más significativa de la arcilla es el comportamiento activo que genera plasticidad y adhesión al ser mezclada con agua. Este comportamiento está ligado a los minerales arcillosos, los cuales son producto de la meteorización química de feldespatos y micas, que no son más que aluminosilicatos de potasio, magnesio y hierro (Rincon, y otros, 2010).
Las arcillas que presentan mayor relevancia son las arcillas expansivas, ya que son aquellas arcillas que presentan alta plasticidad, son el resultado de depósitos de aluvio, lacustre y palustres, corresponden a aquellos suelos que son susceptibles a sufrir variaciones volumétricas al estar expuesto a una atmosfera de agua. Las arcillas expansivas al ser sometidas a cargas su principal reacción es comprimirse, pero si es retirada la sobrecarga, estas tienden a expandirse y cambiar notoriamente de volumen dependiendo de los minerales que la conformen.
Las arcillas expansivas presentan se caracterizan por exteriorizar fuertes agrietamientos. Además, poseen altos límites líquidos y de plasticidad cuando se aumenta el contenido de agua, ya que la absorben y se expanden, cambiando su contenido de humedad y pasando a ser suelos activos.
3.2 TIPOS DE ARCILLAS
Las arcillas se clasifican dependiendo de la naturaleza, la plasticidad y la fusibilidad.
3.2.1 Las ilitas.
Son minerales de silicatos, según la clasificación pertenece al grupo de las micas, por esta razón, cuando se meteorizan tiene menos potasio y más agua en su composición, presentándose en forma de hojuelas, micácea y no es expansiva.
Además, es una arcilla no tan expansiva como la bentonita, pertenecen al grupo de las ilitas, las cuales tienen una estructura similar a las montmorilonitas, pero la separación entre laminas es menor, lo que permite una menor absorción de agua, siendo una arcilla relativamente estable ante la presencia de agua.
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3.2.2 Bentonita.
Arcilla de grano fino, con gran porcentaje de silicio y poco de alúmina, de origen volcánico que se funde sobre los 1200°C, con el agua puede aumentar su volumen hasta 15 veces su volumen, es muy plástica y el contenido de hierro dentro de esta le da color, sin embargo, existe bentonita de color blanca. Por otra arte es una arcilla muy pegajosa con un alto grado de encogimiento, ya que, los enlaces entre capas permiten la entrada del agua y cuando se coceen tienden a fracturarse.
3.2.3 Caolinita.
Es el principal constituyente del caolín se deben a la meteorización del feldespato ortoclasa que proviene del granito, generalmente se encuentra en suelos compuestos de sedimento, siendo de color blanco utilizada para la fabricación de porcelanas, cuando su estado es muy puro, se usa en la fabricación de papel. Por otra parte, está formada por una lámina de silicio y una d aluminio, son arcillas estables debido a que las moléculas que las constituyen no dejan penetrar el agua.
3.2.4 Montmorillonita.
Es di-octaédrica con sustituciones de capa octaédrica, es un mineral del grupo de los silicatos, y del subgrupo de filosilicatos. Tiene elementos como hidrosilicato de magnesio y aluminio, con otros posibles elementos, es inconsistente ya que se expande al contacto con agua y se vuelve soluble en acido.
3.2.5 Biotita.
Es un mineral de rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias, siendo un filosilicato de hierro y magnesio, de color oscuro y brillo nacarado a metálico.
3.2.6 Arcillas plásticas.
Son de tipo secundaria de alta plasticidad por su tamaño de grano fino, cuentan con una cantidad de óxido de hierro e impurezas, se usan para hacer más plásticas otras pastas, su valor de contracción se estima en 20%, al ser cocidas tienen una coloración grisácea clara debido a que es compuesta por carbono.
3.2.7 Gres (arenisca).
Varia su color entre blanco, gris y beige, también es una arcilla refractaria y plástica, su obtención se debe a la mezcla de Ball Clay, feldespato, y otros minerales que le proporcionan sus características.
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3.3 MINERALES CONSTITUTIVOS DE LAS ARCILLAS
La estructura de los minerales de arcilla es generalmente, cristalina y sus átomos están dispuestos en forma laminar. Existen dos unidades estructurales.
Las arcillas están constituidas principalmente por silicatos de aluminio hidratados, en algunas ocasiones también se constituyen por silicatos de magnesio, hierro u otros metales hidratados. Estos minerales se encuentran en rocas ígneas y metamórficas, que junto con la descomposición química dan como resultado la arcilla (Juárez Badillo, y otros, 2005).
Los minerales arcillosos están compuestos por una estructura cristalina cuyos átomos se acomodan en láminas. A continuación, se define cada una de las unidades estructurales que generan arcillas.
3.4 UNIDADES ESTRUCTURALES
3.4.1 Unidad tetraédrica.
Es aquella donde un átomo de silicio está rodeado de cuatro átomos de oxígeno como se observa a continuación.
En la imagen 5, se observa como el átomo de silicio es atrapado por los átomos de oxígeno.
Imagen 5. Átomo de silicio rodeado de cuatro átomos de oxígeno.
Fuente. (Villalaz, 2004).
En la imagen 6, se observa como estaría constituida la unidad tetraédrica.
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Imagen 6. Unidad tetraédrica.
Fuente. (Peter L. Berry & David Reid, 1993).
Estos tetraedros se unen entre sí compartiendo un mismo átomo de oxigeno formando una unidad hexagonal, la cual se repite indefinidamente formando una capa tetraédrica como se observa en la imagen 7.
Imagen 7. Capa tetraédrica.
Fuente. (Peter L. Berry & David Reid, 1993).
3.4.2 Unidad octaédrica.
Es aquella en la cual un átomo de aluminio o magnesio está encerrado por seis grupos de hidroxilos como se muestra en la imagen 8.
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Imagen 8. Unidad octaédrica.
Fuente. (Peter L. Berry & David Reid, 1993).
La unión entre octaedros se hace compartiendo hidroxilos, y de igual manera forman una capa octaédrica como se muestra a continuación en la imagen 9.
Imagen 9. Capa tetraédrica.
Fuente. (Peter L. Berry & David Reid, 1993).
De acuerdo con su arreglo al arreglo de la red cristalina los minerales de arcilla se pueden clasificar en tres grupos básicos.
3.5 CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES ARCILLOSOS
3.5.1 Grupo de caolinitas.
Tiene un espesor de 7 Å. Está conformada por una capa tetraédrica y una capa
octaédrica superpuestas de manera indefinida como se muestra en la imagen 10.
Los enlaces iónicos de hidrogeno entre los bloques no permiten la fácil penetración
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de moléculas de agua entre ellas. Por esta razón estas arcillas son bastante
estables en presencia del agua.
Imagen 10. Arcilla caolinítica.
Fuente. (Peter L. Berry & David Reid, 1993).
3.5.2 Grupo de ilitas.
Tiene un espesor de 10 Å. Está conformado por una capa octaédrica en medio de dos capas tetraédricas orientadas en forma opuesta. Los iones de potasio permiten la unión libre entre capas imagen 11, pero no es tan estable como la de las caolinitas ni expansivas como las arcillas montmorilonitas.
Imagen 11. Arcilla Ilita
Fuente. (Peter L. Berry & David Reid, 1993).
3.5.3 Grupo de montmorilonitas.
El bloque estructural es similar al de las ilitas y grupo al cual pertenecen las bentonitas. Se forman por la superposición indefinida de una octaédrica entre dos
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capas tetraédricas, pero con una unión débil entre sí, permitiendo la penetración de agua con facilidad como se observa en la imagen 12. Estas arcillas sufren fuerte expansión en contacto con agua, lo que provoca inestabilidad en ellas.
Imagen 12. Arcilla montmorilonita.
Fuente. (Peter L. Berry & David Reid, 1993).
3.6 ESTRUCTURA MINERALÓGICA
Es la estructura de los filosilicatos o morfología laminar, los cuales forman enlaces iónicos con cationes metálicos, colocados entre láminas, estabilizando la red cristalina. Permiten conocer las características y las propiedades de las arcillas debido a su igualdad, pues estas presentan una organización basada en el apilamiento de planos de iones de oxigeno e hidroxilos, identificando en (la imagen 13) grupos tetraédricos de silicio y oxigeno (SiO)44−, los cuales se unen compartiendo tres de sus cuatro oxígeno con otros vecinos, constituyendo una capa tetraédrica de (𝑆𝑖2𝑂5 )
2− como unidad fundamental de los filosilicatos.
Imagen 13. Estructura tetraédrica (𝑆𝑖 − 𝑂)
Fuente. (Cornelis, 2003).
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Su distribución interna se basa en hexágonos, que se conectan internamente como se muestra en la imagen 14, teniendo en cuenta que el silicio en la estructura puede
ser sustituido por 𝐴𝑙3+ 𝑜 𝐹𝑒3+ y su comportamiento no variará.
Imagen 14. Capa tetraédrica de un filosilicato.
Fuente. (Cornelis, 2003).
Las capas tetraédricas se unen a las octaédricas donde están descompensadas
eléctricamente con dos cargas positivas, si el catión octaédrico es magnesio (𝑀𝑔2+)
o de tres cargas positivas cuando es Aluminio (𝐴𝑙3+), y pueden ser sustituidas por
dos o tres cargas positivas de hierro ( 𝐹𝑒2+ 𝑜 𝐹𝑒3+) o en su defecto con Litio (Li), Cromo (Cr), Manganeso (Mn), Níquel (Ni), Cobre (Cu) o Zinc (Zn).
Considerando la forma en cómo se deben compartir los cationes dentro de la estructura, este plano de unión forma grupos de (OH)- en el centro del hexágono, el cual se forma por 6 oxígenos, lo que finalmente permite que las capas de tetraedros y octaedros se acoplen dando laminas que, al ser repetidas, forman una estructura cristalina tal como se ve en la imagen 15, por esta razón la mayoría de arcillas se encuentran formadas por placas o laminas dispuestas cara a cara, ya sean de forma tetraédrica u octaédrica.
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Imagen 15. Estructura interna de un tetraedro y un octaedro cuando se unen.
Fuente. (Cornelis, 2003).
La composición mineralógica de los suelos, cambian las características y propiedades de estos, lo que permite diferenciar los tipos de arcillas debido a la interpretación adecuada, pues una arcilla es la asociación de minerales arcillosos, con silicatos hidratados de aluminio por la alteración hidrotermal de rocas ígneas como: granitos, riolitas, dioritas y basaltos; que en condicione de temperaturas, acidez y presión, cambian su comportamiento debido a la actividad electrolítica, donde la carga negativa presenta afinidad con el agua. Lo que origina la siguiente ecuación química:
𝐾2𝑂𝐴𝑙2𝑂36𝑆𝑖𝑂2𝐻2𝑂
∆𝑃 = 𝐴𝑙2𝑂3𝑂32𝑆𝑖𝑂22𝐻2𝑂 + 4𝑆𝑖𝑂2 + 2𝐾𝑂𝐻
El cambio de condiciones genera reacciones debajo y sobre la superficie, esto permite la formación de un suelo definiendo la estructura de minerales arcillosos, los cuales se forman con temperaturas menores de 450°C y presiones muy altas debido a la erosión de rocas, y descomposición de restos y residuos orgánicos, generando una alteración a la arcilla natural, la cual está compuesta por varios minerales como el cuarzo, feldespato, plagioclasas, piroxenas, limonita y materia orgánica.
3.7 PROPIEDADES QUÍMICAS
Las propiedades químicas también permiten observar características físicas en las arcillas, considerando:
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3.7.1 Adsorción.
Proceso donde los átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie, es decir, químicamente la acumulación de una sustancia en la superficie determina una película liquida o gaseosa de un cuerpo solido o líquido.
La capacidad de absorción está relacionada con la superficie específica y a porosidad, el cual, puede tener dos tipos de procesos, uno es de forma aislada donde el proceso es retención por capilaridad denominada absorción y otra es una interacción química entre la absorción, en este caso la arcilla y el líquido o gas absorbido, se denomina adsorbato o la adsorción.
3.7.2 Hidratación e hinchamiento.
Cuando la arcilla absorbe agua en el espacio laminar, este tiene como consecuencia la separación de láminas, dando lugar al hinchamiento, este depende del balance entre la atracción electrostática catión-lámina y la energía de hidratación del catión, a medida que las capas de repulsión y contribuye a el proceso de hinchamiento donde se disocian completamente unas láminas de otras.
En la imagen 16, se logra apreciar el proceso de hidratación interna de una partícula de arcilla.
Imagen 16. Hidratación interna en una arcilla.
Fuente (Cornelis, 2003).
3.7.3 Superficie específica.
Propiedad donde el área superficial externa más el área de la superficie interna constituyen una unidad de masa, interactuando solido-fluido para los usos industriales, por otra parte, esta depende de la morfología de las partículas pues la superficie aumenta y se aleja la morfología de la equidimensionalidad, donde esfera<lamina<fibra, también aumenta la superficie específica al disminuir el tamaño de la partícula.
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Todas las partículas del suelo poseen una carga eléctrica que puede ser negativa o positiva y está en relación directa con la magnitud de área por unidad de masa (m2/gr) o superficie específica. Por lo tanto, cuanta más pequeña es una partícula mayor será su superficie específica, y a su vez mayor carga eléctrica (Lambe, y otros, 1991). La arcilla está cargada negativamente, que en estado seco es balanceada por diferentes cationes. Pero al agregar agua, estos cationes y aniones flotaran alrededor de la partícula atrayendo una capa de agua que se adhiere fuertemente a la arcilla logrando alcanzar la resistencia del hielo. Esta capa es llamada doble capa difusa y decrece al aumentar la distancia desde la partícula (Das, 1999).
Teóricamente en las arcillas caolinitas se considera una superficie específica de 15 m2/gr y para las bentonitas es de 800 m2/gr. Esto se traduce en que las bentonitas presentan una mayor capacidad de adsorción de agua que las caolinitas y por lo tanto mayor plasticidad (Das, 1999).
Imagen 17. Formación de la Doble capa difusa entorno a un cristal de arcilla sumergido en agua.
Fuente. (Juárez Badillo & Rico Rodríguez, 2008)
3.7.4 Porosidad.
Depende de la consistencia más o menos compacta que adopta la masa después de la cocción, estas varían según el tipo de arcilla y de las temperaturas, puesto que a bajas temperaturas l índice de absorción es más elevado y se vuelven más porosas.
3.7.5 Color.
Presentan coloraciones diversas después de la cocción, dependiendo de los minerales que contengan, oxido de Fe, Cu, Al, Mn, entre otros.
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3.7.6 Tixotropía.
Perdida de resistencia y su recuperación después de un lapso de tiempo, se denominan así cuando las arcillas son amasadas, se convierten en un verdadero líquido y al dejar en reposo, recuperan su cohesión, para que esto ocurra el contenido de agua debe ser respecto a su límite plástico.
3.7.7 Permeabilidad.
Las arcillas tienen baja permeabilidad debido a que sus aperturas inter-granulares son demasiado pequeñas para permitir la circulación rápida.
El tamaño y la constitución son las características más notables que condicionan las propiedades de las fracciones. La arena y el limo poseen muy poca actividad superficial y contribuyen escasamente en el balance de las propiedades del suelo. Esta actividad reducida se debe no solo al tamaño de las partículas sino a su constitución química y estructural.
A menor tamaño, mayor es la superficie específica y más intensas son las propiedades. La arcilla es más activa que la arena y el limo; este, aunque de actividad reducida, tiene más que la arena.
3.8 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS ARCILLAS
Las características que definen el comportamiento mecánico e hidráulico de las arcillas están directamente relacionadas con la presencia de agua. Estas propiedades son el principal objeto de estudio para los ingenieros.
Forma y tamaño de las partículas. Es material que pasa el tamiz No. 200 y su tamaño es menor a 0.002 mm. Ahora, debido a la forma plana de sus capas la arcilla presenta una alta relación entre el área superficial y el volumen, lo que genera una mayor atracción de agua hacia las partículas. La atracción de agua es el resultado de la carga negativa de cada partícula, que depende de la estructura y composición de la arcilla.
3.8.1 Resistencia en estado seco.
Es la capacidad que posee una muestra de suelo cuando se encuentran en estado seco de no deformarse al ser presionada con los dedos o al ser golpeada con un martillo. La resistencia puede clasificarse como baja, mediana, alta o muy alta. En el caso de las arcillas, la resistencia es alta y está directamente relacionada con la plasticidad y cohesión de los minerales arcillosos.
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3.8.2 Dilatación.
Es la velocidad con la cual aparece superficialmente el agua en una arcilla muy húmeda cuando es sacudida por las manos. Esta reacción se ocasiona mientras se sacude y desaparece cuando se aprieta. En las arcillas es muy lenta o en ocasiones ninguna.
3.8.3 Tenacidad.
Es la facilidad con que se pueden hacer rollitos de 3 mm de diámetro, sin que se presenten grietas ni se desmorone, cuando el suelo tiene una condición de humedad cercana a su límite plástico. La tenacidad será clasificada como baja, mediana o alta, en el caso de las arcillas es alta. Se determina mediante el límite de tenacidad.
3.8.4 Índice de tenacidad (𝑻𝒘).
Es dependiente del índice de plasticidad y la relación entre la humedad y el número de golpes en escala logarítmica.
𝑇𝑤 =𝐼𝑃
𝐼𝑓∗ 100 [3]
Dónde:
𝐼𝑃: Índice de plasticidad.
𝐼𝑓: Pendiente de la curva de flujo.
3.8.5 Actividad.
Es la relación entre el tipo y cantidad de minerales arcillosos, y es constante para un mismo material. Fue definida por Skempton en 1953, cuando observo que el límite de plasticidad de un suelo crece linealmente en relación al porcentaje de minerales arcillosos que lo constituyen. La actividad se expresa como:
𝐴 =𝐼𝑃
𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠<2𝜇 [4]
Dónde:
𝐼𝑃: Índice de plasticidad.
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3.8.6 Contenido de humedad.
Es la relación entre el peso del agua de un suelo y el peso de la masa de solidos que lo conforman.
𝑊 =𝑊𝑤
𝑊𝑠 [5]
Dónde:
𝑊: contenido de humedad (%).
𝑊𝑤: Peso del agua.
𝑊𝑠: Peso del suelo en estado seco.
3.8.7 Sensitividad (ST).
Es la relación entre la resistencia a la compresión inconfinada y la resistencia después de haber sido remoldeada ya que esta modifica la resistencia a la compresión del suelo.
𝑆𝑇 =𝑞𝑢 𝑖𝑛𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑞𝑢 𝑟𝑒𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒𝑎𝑑𝑎 [6]
3.8.8 Consistencia y plasticidad.
La plasticidad es la propiedad donde el agua envuelve las partículas laminares y produce un efecto lubricante (imagen 18), el cual, facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas. Para esta, se deben considerar el límite plástico que representa el porcentaje que necesita la arcilla, para que manifieste su elasticidad y el límite líquido que es el porcentaje de agua en donde, la arcilla deja de ser plástica y se comporta como liquida y la diferencia entre estas, permite conocer el índice de plasticidad como el contenido de agua para una arcilla.
Imagen 18. Plasticidad de una arcilla.
Fuente. (Cornelis, 2003).
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Mediante estudios a lo largo de la historia se ha optado que mediante esta propiedad se puede hacer una clasificación mucho más clara de los suelos, entonces para conocer la propiedad que demuestran los suelos de poder deformase se hace uso de los límites de Atterberg, que por medio de ellos se reconoce los cuatro estados de consistencia.
Cuando un suelo esta húmedo su consistencia se obtiene cuando la mitad del volumen de poros se halla obstruido por agua. El suelo húmedo sujeto a esta presión tiende a deformarse y a desboronarse en pequeños agregados, pero para fracturarse requiere menos presión que para romperlo en estado seco.
Ahora un suelo seco puede ser un poco más duro y suelto a dificultad de romperse, sino que también se indica la resistencia de penetración y esfuerzo. Lo que recurre mayor riqueza en una arcilla proporcionando dureza al suelo.
Según el contenido en agua, la consistencia puede expresarse en términos de dureza, firmeza y plasticidad. Siendo este la cohesión que mantiene unidas a las partículas formando agregados (Thompson, y otros, 2002).
Un suelo que posea algo de cohesión según su naturaleza y la cantidad de agua que tenga, puede presentar propiedades que lo incluyan en el estado sólido, plástico y líquido. Teniendo en cuenta que su consistencia puede variar respecto a la humedad.
El contenido de humedad que produce el paso de un estado a otro que varía según el tipo de suelo arcilloso; donde se estableció los tres límites que separan la consistencia en cuatro estados (imagen 19).
3.9 ARCILLAS INDUSTRIALES
Hoy en día las arcillas comerciales, aquellas que sirven como materia prima industrial figuran entre los recursos minerales más importantes, tanto por el volumen explotado como por el valor de la producción. Un 90% de la producción se dedica, preferiblemente a la fabricación de materiales de construcción y agregados. Solo un
Sólido Semisólido Plástico Líquido
Límite de contracción
Límite plástico
Límite Líquido
Contenido de agua
creciente
Fuente. Toloza & Parrado, (2016).
Imagen 19. Límites de Atterberg
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10% se dedica a otras industrias (fabricación de papel, caucho, pinturas, absorbentes, decolorantes, arenas de moldeo, productos químicos y farmacéuticos, agricultura, etc.)
En general, al primer tipo (las que se utilizan en construcción) se les denomina arcillas cerámicas, arcillas para construcción o arcillas comunes, son arcillas compuestas por dos o más minerales que no son filosilicatos y se utilizan para la fabricación de materiales de construcción y agregados.
Al segundo tipo se les denominan arcillas especiales, son arcillas constituidas fundamentalmente por un solo tipo de mineral de la arcilla y sus propiedades dependen esencialmente de las características de ese mineral. Estas, a pesar de ser mucho menos importantes en volumen, suponen más del 70% del valor de las arcillas comerciales, y son objeto de comercio internacional.
3.9.1 Bentonita.
Es un mineral arcilloso que se forma en gran parte por la descomposición de cenizas volcánicas y están constituidas principalmente por montmorillonita. Al hacer parte al grupo mineral de las montmorilonitas permite entrar con facilidad mayor cantidad de agua, generando expansión de hasta tres o cinco veces el volumen en estado seco.
La bentonita es un suelo pésimo para asentar la cimentación de una estructura ya que presenta fuerzas elevadas que causan levantamiento, agrietamiento o rotura de las cimentaciones.
3.9.2 Uso de la bentonita.
Son muy numerosos los usos industriales de las bentonitas, tanto que resulta difícil enumerar todos. Los más importantes son:
Lodos de perforación. A pesar de los importantes cambios que van sufriendo con el tiempo las formulaciones de los lodos de perforación siguen siendo uno de los mercados más importantes de las bentonitas. Los lodos de perforación son fluidos bombeados que circulan a través del pozo mientras este en perforación. Sirve para controlar presiones y estabilizar las paredes de perforación, impide la filtración de agua, etc.
Absorbentes. La elevada superficie específica de la bentonita le otorga alta capacidad para absorber. Debido a esto se emplea en decoloración y clasificación de aceites, vinos, sidras, cervezas, etc. Tienen gran importancia en los procesos industriales de purificación de aguas que contengan diferentes tipos de aceites industriales y contaminantes orgánicos. Se utiliza además como soporte de productos químico, como por ejemplo herbicidas, pesticidas e insecticidas, posibilitando una distribución homogénea del producto toxico.
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Material sellado. Ha favorecido la apertura y desarrollo en depósitos de residuos tanto tóxicos y peligrosos, como radiactivos de baja y media actividad. Las bentonitas se han venido utilizando en mezclas de suelos en torno a os vertederos, con el fin de disminuir la permeabilidad de los mimos. De esta forma se impide el escape de gases generados en el depósito. Esta mezcla se podía realizar in situ o sacando el suelo de su emplazamiento, mezclándolo con la bentonita y volviéndolo a colocar en su sitio, la ventaja de la primera alternativa es que supone un gasto menor, pero, sin embargo, implica una mezcla menos homogénea. La segunda alternativa, es más costosa, pero asegura una mejor homogenización de la mezcla bentonita-suelo.
Arenas de moldeo. Se emplea para la fabricación de moldes de fundición, es una mezcla de arena y bentonita que proporciona la plasticidad y cohesión de la mezcla, facilitando el moldeo y otorgando la resistencia suficiente para conservar la forma para la realización del vertimiento de material fundido.
3.9.3 Uso ingenieril.
Las bentonitas se utilizan para cementar fisuras y grietas de rocas, absorbiendo la humedad para impedir que esta produzca derrumbamiento de túneles o excavaciones, para dar una mejora a la estabilización y a la impermeabilización.
Para que esta arcilla pueda ser usada debe estar dotada de marcado carácter de tixotrópico, viscosidad, alta capacidad de hinchamiento y buena dispersabilidad.
Los usos en este campo se pueden resumir en:
Creación de membranas impermeables en torno a barreras en el suelo, o como soporte de excavaciones.
Prevención de hundimientos. En las obras, se puede evitar el desplome de paredes lubricándolas con lechadas de bentonita.
Protección de tuberías como lubricante y relleno de grietas
En túneles actúan como lubricantes.
Transporte de sólidos en suspensión.
Mejoramiento de la plasticidad en cemento hidráulico.
Estabilizante para la construcción de túneles.
Sellante de grietas en perforaciones profundas.
Impermeabilizante en paredes o zonas expuestas al agua.
Construcción de ladrillos, cemento, yeso, caños para cloacas y azulejos.
3.10 CAOLINITA
Es una arcilla muy pura, blanca procedente de la descomposición de rocas feldespáticas y puede venir mezclada con cuarzo, feldespato y minerales ferruginosos.
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Se encuentra fundamentalmente en dos tipos de depósito:
Caolín residual. Donde la arcilla sustituye a la roca pegmatita (roca granítica de grano grueso compuesta en su mayor parte por feldespato y cuarzo), a partir del cual se formaba por descomposición de la roca u otras alteraciones.
Caolín sedimentario. Formado por partículas de arcilla transportadas desde el punto de origen por la acción de torrentes condiciones favorables no alcalinas y sedimentando en el fondo de aguas tranquilas a menudo con alteración.
En las imágenes 20 y 21, se aprecia el color y contextura de la caolinita.
Imagen 20. Caolín extrusionado.
Fuente. (Viñas & Martinez).
Imagen 21. Caolín micronizado y seco.
Fuente. (Viñas & Martinez).
Un caolín es una roca que contiene una cierta proporción de minerales que puede ser económicamente extraída y concentrada. Se trata de una arcilla compuesta que no tiene la necesidad de un proceso y su se hace uso tal cual se encuentre.
Un caolín comercial de alta calidad apenas deberá tener partículas superiores al 20 mm, lo que garantiza una riqueza en caolín superior al 80%. El caolín es un mineral
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básico para la fabricación de la porcelana sanitaria y otros materiales cerámicos de construcción tales como baldosas, tejas y sus correspondientes esmaltes (Viñas, y otros).
Por lo tanto, está claro que, dentro de los materiales de construcción, la cerámica ocupa un lugar muy importante y a su vez, dentro de las materias primas que componen algunos tipos de cerámica el caolín es un constituyente fundamental.
3.10.1 Uso ingenieril
Usado como terraplén y como material crudo en la formulación de crisolito y placas de vidrio. También 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 paneles 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.
También 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.
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4 METODOLOGÍA
Para el desarrollo del proyecto de investigación “Determinación de la superficie específica en suelos caoliníticos y bentoníticos mediante la técnica de adsorción de agua destilada aplicando diferentes gradientes térmicos.”, se realizaron ensayos de laboratorio para determinar la capacidad de adsorción de los dos tipos de arcillas (bentonitas y caolinitas) de origen industrial; con el fin de obtener una aproximación a la superficie específica de las muestras.
4.1 Recopilación de información
Se realizó una exhaustiva Investigación de los métodos empleados a nivel mundial y nacional para determinar la superficie específica en suelos. Posteriormente se eligió el método de adsorción de agua debido a ser factible para elaborar y desarrollar en las instalaciones de la universidad.
Además, se tomaron como referencia investigaciones desarrolladas anteriormente en la Universidad Católica de Colombia, con el fin de ampliarlas y aportar mayor conocimiento para futuras generaciones interesadas en estudiar las propiedades fisicoquímicas de las arcillas expansivas.
4.2 Selección de las arcillas a estudiar
Para la elaboración de los ensayos de laboratorio se emplearon dos arcillas de origen industrial (Bentonita y caolinita); estas arcillas se caracterizan principalmente por tener alta y baja capacidad de adsorción respectivamente.
La bentonita es una arcilla que debido a su estructura permite con mayor facilidad la entrada de agua entre láminas, y, por lo tanto, la superficie específica es alta. Por otro lado, la caolinita es una arcilla que es muy estable, ya que no permite la entrada del agua con la misma facilidad que la bentonita. La variación de las propiedades entre estas dos arcillas fue la razón principal para comparar su superficie específica.
4.3 Caracterización de las arcillas
Para caracterizar las dos arcillas se realizaron ensayos de gravedad específica y granulometría por hidrómetro en las dos arcillas.
Primero se realizó el ensayo de gravedad específica a la bentonita y posteriormente a la caolinita. A continuación, se exponen los resultados.
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4.3.1 Ensayo de gravedad específica.
Para realizar este ensayo se hizo uso la norma I.N.V.E – 128 – 13 “determinación de la gravedad específica de las partículas sólidas de los suelos y de la llenante mineral, empleando un picnómetro con agua”, emitida por el instituto INVIAS en el año 2013. En la misma norma se establece la siguiente expresión para el cálculo de la gravedad específica:
𝐺𝑡 =𝑀𝑠
[𝑀𝜌𝑤,𝑡−(𝑀𝑃𝑤𝑠,𝑡−𝑀𝑠)] [7]
Donde:
𝑀𝑠: masa de los sólidos del suelo secado en el horno (g)
𝑀𝑃𝑤𝑠,𝑡: masa del picnómetro con agua y sólidos a la temperatura del ensayo (g)
𝑀𝜌𝑤,𝑡: masa del picnómetro lleno de agua a la temperatura del ensayo (g), y se
calcula de la siguiente ecuación:
𝑀𝜌𝑤,𝑡 = 𝑀𝑝 + (𝑉𝑝 ∗ 𝜌𝑤,𝑡) [8]
Donde:
𝑀𝑝: masa promedio de la calibración del picnómetro seco (g)
𝑉𝑝: volumen promedio de calibración del picnómetro seco (cm³)
𝜌𝑤,𝑡: densidad del agua a la temperatura del ensayo (g/cm³)
Lo primero que se realizó fue la calibración del picnómetro en este caso, el de 500 ml. Luego se seleccionaron 50 g de arcilla para realizar el ensayo, se hizo el respectivo procedimiento para extraer todo el aire de la muestra y luego de 24 horas se siguió el método B descrito en la norma para especímenes secados al horno; en el cual se realiza un secado del material en el horno a temperatura de 110 °C hasta obtener peso constante. A continuación, se despliega el registro fotográfico de la realización del ensayo.
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Imagen 22. Calibración del picnómetro
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 23. Picnómetro, material y agua
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 24. Extracción de aire - cámara de vacío
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 25. Material antes de llevar al horno
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017
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Imagen 26. Material durante el proceso de secado
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 27. Material en estado seco
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
4.3.1.1 Gravedad específica – Bentonita
En la tabla 1, se observan los valores obtenidos para la bentonita
Tabla 1. Gravedad específica (bentonita)
GRAVEDAD ESPECÍFICA
Muestra Bentonita
Peso inicial (g) 50
Peso picnómetro vacío (g) 476,97
Peso picnómetro + Agua (g) 1274,57
Peso Picnómetro + agua + sólidos (g)
1305
Temperatura (°C) 20
Peso recipiente (g) 243,59
Peso sólidos + recipiente (g) 291,32
Peso suelo seco (g) 47,73
Volumen del picnómetro 799
Masa del picnómetro lleno de Agua
1274,57
Factor de corrección del agua (K)
1
Gravedad específica 2,76
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
58
4.3.1.2 Gravedad específica – Caolinita.
En la tabla 2, se observan los valores obtenidos para la caolinita
Tabla 2.Gravedad específica (caolinita)
GRAVEDAD ESPECÍFICA
Muestra Caolinita
Peso inicial (g) 50
Peso picnómetro vacío (g) 163,85
Peso picnómetro + Agua (g) 663,18
Peso Picnómetro + agua + sólidos (g)
709,6
Temperatura (°C) 28
Peso recipiente (g) 115,2
Peso sólidos + recipiente (g) 169,2
Peso suelo seco (g) 75
Volumen del picnómetro 500
Masa del picnómetro lleno de Agua
825,84
Factor de corrección del agua (K)
0,99803
Gravedad específica 2,61
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
4.3.2 Ensayo de análisis granulométrico por hidrómetro
Para realizar este ensayo se hizo uso la norma I.N.V.E – 123 – 13 “determinación de los tamaños de las partículas”, emitida por el instituto INVIAS en el año 2013.
El ensayo consistió en dejar la muestra (50) de arcilla en 125 ml en una solución de Hexametafosfato de sodio durante un día. Después de agrego todo el material en una probeta de capacidad de 1000 ml junto con agua hasta que llegar a la capacidad máxima. Por último, se tomaron registros con ayuda del hidrómetro cada cierto tiempo como se registra continuación.
59
Imagen 28. Registro datos ensayo hidrómetro.
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
4.3.2.1 Granulometría por hidrómetro.
En la tabla 3, se observan los valores obtenidos para la bentonita
Tabla 3. Datos granulometría por hidrómetro - bentonita
T(min) lectura
(g/l) Temp.
(°C) Ct
(g/l) T '
(g/l) Cd
R (g/l)
Rc L
(cm) K D(mm) % (P)
2 26 21,3 0,39 7 7,61 27 19,78 12,00 0,01301 0,0319 39,33%
5 26 21,3 0,39 7 7,61 27 19,78 12,00 0,01301 0,0202 39,33%
10 25,5 21,3 0,39 7 7,61 26,5 19,28 12,10 0,01301 0,0143 38,33%
15 25,5 21,3 0,39 7 7,61 26,5 19,28 12,10 0,01301 0,0117 38,33%
30 25 21,3 0,39 7 7,61 26 18,78 12,20 0,01301 0,0083 37,34%
60 25 21,3 0,39 7 7,61 26 18,78 12,20 0,01301 0,0059 37,34%
250 23 21 0,3 7 7,7 24 16,6 12,50 0,01305 0,0029 33,00%
1440 21 20 0 7 8 22 14 12,90 0,01321 0,0013 27,83% Notas: 1) cada uno de los valores fueron calculados siguiendo paso a paso la metodología empleada en la normativa INVIAS.
2) Ct: corrección por temperatura, Cd: corrección por agente, Cm: corrección por menisco (1).
3) Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
De igual manera en la tabla 4, se observan los valores obtenidos en la hidrometría para la caolinita.
60
Tabla 4. Datos granulometría por hidrómetro – caolinita
T(min) lectura
(g/l) Temp.
(°C) Ct
(g/l) T '
(g/l) Cd
R (g/l)
Rc L
(cm) K D(mm) % (P)
2 50 20 0 8 9 51 42 12,50 0,0139 0,0348 83,83%
5 48 20 0 8 9 49 40 12,90 0,0139 0,0223 79,84%
10 47 20 0 8 9 48 39 13,00 0,0139 0,0158 77,84%
15 45 20 0 8 9 46 37 13,20 0,0139 0,0130 73,85%
30 42 20 0 8 9 43 34 13,30 0,0139 0,0093 67,86%
60 39 20 0 8 9 40 31 13,50 0,0139 0,0066 61,87%
250 35 20 0 8 9 36 27 13,70 0,0139 0,0033 53,89%
1440 31 20 0 8 9 32 23 14,00 0,0139 0,0014 45,91%
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
A continuación, en la gráfica 1, se observa el análisis granulométrico de las dos arcillas.
Gráfica 1. Análisis granulométrico de las arcillas
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Según la gráfica anterior, se puede evidenciar claramente la diferencia entre las dos arcillas, en el caso de la bentonita el diámetro de las partículas es mayor comparada con la caolinita.
25,00%
35,00%
45,00%
55,00%
65,00%
75,00%
85,00%
95,00%
0,0010,0100,100
Po
rce
nta
je q
ue
pa
sa
(%
)
Díametro de las partículas (mm)
Bentonita
Caolinita
61
En la curva granulométrica de la caolinita se observa que la pendiente es mucho más pronunciada, debido a que las partículas de la caolinita presentan mayor uniformidad de tamaño que la bentonita.
4.4 Aplicación de gradientes térmicos
Después de haber realizado la caracterización de las dos arcillas, se procedió a someter las muestras en el horno a cuatro escalones de temperatura (°C): 21 (temperatura ambiente), 100, 200 y 250 variando el tiempo entre 1 a 15 días.
Debido al corto lapso de tiempo para elaborar los ensayos de laboratorio se introducían muestras de cada material al mismo gradiente de temperatura y así lograr el mejor rendimiento.
En la imagen 29, se observan diferentes muestras antes de ser ensayadas.
Imagen 29. Muestra de arcilla
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
El principal problema que se presentó a la hora de realizar los ensayos fue determinar el momento en el que las arcillas se encontraban saturadas. Por tal razón se optó por implementar otra técnica, la cual consistió en determinar el límite líquido de cada una de las muestras después de ser sometidas a cada gradiente térmico.
62
En la siguiente tabla se observa un resumen de las muestras ensayadas.
Tabla 5. Resumen de muestras ensayadas
Tiempo (días)
Temperatura (°C)
21 100 200 250
Bentonita
1 ✔ ✔ ✔ ✔
7 ✔ ✔ ✔ ✔
15 ✔ ✔ X X
Caolinita
1 ✔ ✔ ✔ ✔
7 ✔ ✔ ✔ ✔
15 ✔ ✔ X X
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
4.5 Determinación de la superficie específica
Después de haber aplicado a cada muestra los gradientes se determinó el límite líquido de cada muestra; ya que el límite líquido es una de las importantes propiedades de las arcillas que ayuda a identificar, clasificar y predice el comportamiento de los suelos finos. Por otra parte, como los límites son medidos en términos del contenido de agua están directamente relacionados con la adsorción de agua y la superficie específica de las arcillas, este concepto fue introducido en el año 1967 por Farrar y Coleman.
Estos dos autores especifican que la superficie específica puede ser calculada usando la siguiente ecuación (Santamarina, y otros, 2002):
𝑆𝑠 = 1.8 𝐿𝐿 − 34 [9]
Dónde:
𝐿𝐿: límite líquido (%)
𝑆𝑠: Superficie específica (m²/g)
De manera paralela se calculó la cantidad de agua adsorbida para alcanzar la humedad del límite líquido.
En las siguientes imágenes se puede observar paso a paso el desarrollo de los límites de consistencia para una muestra.
63
Imagen 30. Material en estado natural
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 31. Espátulas y Ranurador.
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 32. Cazuela de casa grande.
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 33. Materia antes de ser saturado
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
64
Imagen 34. Material húmedo
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 35. Material saturado
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 36.cazuela con material.
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 37. Material a 110 °C
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
65
Imagen 38. Material después de 24 h en el horno
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Imagen 39. Proceso de adsorción de agua
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
66
5 RESULTADOS
Los resultados de los ensayos realizados en laboratorio para las dos arcillas (bentonita y caolinita) sometidas a diferentes gradientes de temperatura se encuentran sintetizados en diferentes tablas que se encuentran en seguida.
Además, en la última parte se encuentran anexos uno a uno los resultados de ensayos índice.
A continuación, se iniciará con los resultados obtenidos para la bentonita.
5.1 Resultados de la Bentonita
En las tablas 6 - 9, se realiza un despliegue de los resultados obtenidos en las muestras de la bentonita a diferentes gradientes térmicos.
Tabla 6. Resultados Bentonita a temperatura ambiente
Bentonita a temperatura ambiente (21°C)
Días LL (%) LP (%) IP (%) Agua adsorbida (m³) Superficie específica
(m²/g)
1 286,00% 61,57% 224,43% 0,286 480,8
7 286,50% 63,35% 223,15% 0,287 481,7
15 288,00% 64,18% 223,82% 0,288 484,4
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Tabla 7. Resultados Bentonita a 100 °C
Bentonita a temperatura de (100°C)
Días LL (%) LP (%) IP (%) Agua adsorbida (m³) Superficie específica
(m²/g)
1 296,00% 61,32% 234,68% 0,296 498,8
7 298,00% 64,26% 233,74% 0,298 502,4
15 302,00% 66,37% 235,63% 0,302 509,6
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
67
Tabla 8.Resultados Bentonita a 200 °C
Bentonita a temperatura de (200°C)
Días LL (%) LP (%) IP (%) Agua adsorbida (m³) Superficie específica
(m²/g)
1 308,00% 68,16% 239,84% 0,308 520,4
7 314,00% 69,14% 244,86% 0,314 531,2
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Tabla 9. Resultados Bentonita a 250 °C
Bentonita a temperatura de (250°C)
Días LL (%) LP (%) IP (%) Agua adsorbida (m³) Superficie específica
(m²/g)
1 260,10% 56,63% 203,47% 0,260 434,18
7 255,60% 53,77% 201,83% 0,256 426,08
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
5.2 Resultados de la Caolinita
En las tablas 10-13, se realiza un despliegue de los resultados obtenidos en las muestras de caolinita a diferentes gradientes térmicos.
Tabla 10. Resultados Caolinita a temperatura ambiente
Caolinita a temperatura ambiente (21°C)
Días LL (%) LP (%) IP (%) Agua adsorbida (m³) Superficie específica
(m²/g)
1 73,50% 32,73% 40,77% 0,0735 98,3
7 73,30% 32,43% 40,87% 0,0733 97,94
15 73,00% 31,84% 41,16% 0,0730 97,4
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Tabla 11. Resultados Caolinita a temperatura de 100 °C
Caolinita a temperatura de (100°C)
Días LL (%) LP (%) IP (%) Agua adsorbida (m³) Superficie específica
(m²/g)
1 65,80% 32,29% 33,51% 0,0658 84,44
7 65,00% 31,61% 33,39% 0,0650 83
15 64,30% 31,01% 33,29% 0,0643 81,74
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
68
Tabla 12. Resultados Caolinita a temperatura de 200 °C
Caolinita a temperatura de (200°C)
Días LL (%) LP (%) IP (%) Agua adsorbida (m³) Superficie específica
(m²/g)
1 63,70% 31,73% 31,97% 0,0637 80,66
7 61,00% 30,06% 30,94% 0,0610 75,8
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
Tabla 13. Resultados Caolinita a temperatura de 250 °C
Caolinita a temperatura de (250°C)
Días LL (%) LP (%) IP (%) Agua adsorbida (m³) Superficie específica
(m²/g)
1 60,50% 30,34% 30,16% 0,0605 74,9
7 53,00% 27,72% 25,28% 0,0530 61,4
Fuente. (Toloza & Parrado, 2017).
A continuación, se enlistan uno a uno los ensayos de límites de consistencia realizados a las muestras de las dos arcillas.
69
5.3 Resultado de los límites de consistencia
Tabla 14. Certificado de ensayo Número uno
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 1
Identificación de la muestra:
Bentonita 1 día - temperatura ambiente (21°C)
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g)
8,39 12,6 12,88 6,19 4,77
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
14,59 20,03 19,1 14,82 12,22
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
12,26 17,16 14,47 8,44 6,73
Humedad (%) 60% 63% 291% 284% 280%
Número de golpes - - 16 29 35
Promedio límite plástico (%)
62%
Gráfica 2. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura ambiente
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
286% Límite plástico
(LP)% 62%
Índice de Plasticidad (IP) %
224%
270%
275%
280%
285%
290%
295%
14 28
Hum
edad (
%)
N° de golpes
70
Tabla 15. Certificado de ensayo Número dos
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 2
Identificación de la muestra:
Bentonita 7 días - temperatura ambiente (21°C)
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g)
12,33 10,77 12,55 8,25 10,63
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
21,42 19,24 29,3 24,22 27,54
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
17,9 15,95 16,82 12,38 15,06
Humedad (%) 63% 64% 292% 287% 282%
Número de golpes - - 16 24 33
Promedio límite plástico (%)
63%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 3. Curva de fluidez Bentonita 7 días – temperatura ambiente
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
287% Límite plástico
(LP)% 63%
Índice de Plasticidad (IP) %
223%
270%
275%
280%
285%
290%
295%
12 24
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
71
Tabla 16. Certificado de ensayo Número tres.
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 3
Identificación de la muestra:
Bentonita 15 días - temperatura ambiente (21°C)
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 11,5
9,84 10,89
15,4 12,87
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
19,55 16,75 23,45 29,34 25,91
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
16,39 14,06 14,09 19 16,28
Humedad (%) 65% 64% 293% 287% 282%
Número de golpes - - 17 27 34
Promedio límite plástico (%)
64%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 4. Curva de fluidez Bentonita 15 días – temperatura ambiente
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
288%
Límite plástico (LP)%
64% Índice de Plasticidad
(IP) % 224%
275%
280%
285%
290%
295%
300%
12 24
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
72
Tabla 17. Certificado de ensayo Número cuatro.
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 4
Identificación de la muestra:
Caolinita 1 día - temperatura ambiente (21°C)
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 8,31
8,3 10,53
12,27 10,37
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
22,53 13,23 26,23 30,28 26,08
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
18,84 12,08 19,46 22,66 19,54
Humedad (%) 35% 30% 76% 73% 71%
Número de golpes - - 17 24 33
Promedio límite plástico (%)
32.7%
Gráfica 5. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura ambiente
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
73,5% Límite plástico
(LP)% 33%
Índice de Plasticidad (IP) %
41%
70%
71%
72%
73%
74%
75%
76%
77%
15 30
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
73
Tabla 18. Certificado de ensayo Número cinco
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 5
Identificación de la muestra:
Caolinita 7 días - temperatura ambiente (21°C)
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 9,24
10,54 11,58
12,54 10,31
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
18,76 16,65 26,22 27,58 22,67
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
16,45 15,14 19,88 21,19 17,59
Humedad (%) 32% 33% 76% 74% 70%
Número de golpes - - 18 25 32
Promedio límite plástico (%)
32,4%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 6. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura ambiente
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
73% Límite plástico
(LP)% 31.8%
Índice de Plasticidad (IP) %
41%
270%
275%
280%
285%
290%
295%
12 24
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
74
Tabla 19. Certificado de ensayo Número seis
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 6
Identificación de la muestra:
Caolinita 15 días - temperatura ambiente (21°C)
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 10,33
8,56 14,2
11,68 10,78
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
17,98 16,23 26,21 24,32 24,51
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
16,12 14,39 20,98 18,98 18,857559
Humedad (%) 32% 32% 77% 73% 70%
Número de golpes - - 16 25 31
Promedio límite plástico (%)
31.8%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 7. Curva de fluidez Caolinita 15 días – temperatura ambiente
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
73%
Límite plástico (LP)%
31.8% Índice de
Plasticidad (IP) % 41%
60%
62%
64%
66%
68%
70%
72%
74%
76%
78%
80%
15 30
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
75
Tabla 20. Certificado de ensayo Número siete
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 7
Identificación de la muestra:
Bentonita 1 día - temperatura 100°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 15,04
14,04 8,38
8,26 7,16
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
20,26 21,26 17,3 20,25 18,18
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
18,28 18,51 10,58 11,3 9,97
Humedad (%) 61,1% 62% 305% 294,4% 292%
Número de golpes - - 17 23 31
Promedio límite plástico (%)
61%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 8. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura 100 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
296%
Límite plástico (LP)%
61% Índice de
Plasticidad (IP) % 235%
280%
285%
290%
295%
300%
305%
310%
15 30
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
76
Tabla 21. Certificado de ensayo Número ocho
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 8
Identificación de la muestra:
Bentonita 7 días - temperatura 100°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 13,91
14,05 13,62
13,58 13,61
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
19,53 20,01 26,18 27,29 25,67
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
17,33 17,68 16,72 16,99 16,74
Humedad (%) 64,3% 64,2% 305% 302% 285%
Número de golpes - - 17 25 34
Promedio límite plástico (%)
64.26%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 9. Curva de fluidez Bentonita 7 días – temperatura 100 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
298%
Límite plástico (LP)%
64% Índice de
Plasticidad (IP) % 234%
280%
285%
290%
295%
300%
305%
310%
15 30
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
77
Tabla 22. Certificado de ensayo Número nueve
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 9
Identificación de la muestra:
Bentonita 15 días - temperatura 100°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 13,76
14,21 13,28
13,6 14,08
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
16,82 19,02 22,65 23,38 25,78
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
15,6 17,1 15,58 16,03 17,04
Humedad (%) 66% 66% 307% 302% 295%
Número de golpes - - 16 26 34
Promedio límite plástico (%)
66%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 10. Curva de fluidez Bentonita 15 días – temperatura 100 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
298%
Límite plástico (LP)%
64% Índice de
Plasticidad (IP) % 234%
280%
285%
290%
295%
300%
305%
310%
15 30
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
78
Tabla 23. Certificado de ensayo Número 10
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 10
Identificación de la muestra:
Caolinita 1 día - temperatura 100°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 15,6
10,32 14,07
13,75 13,67
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
21,45 18,24 31,39 29,64 26,92
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
20,02 16,31 24,21 23,39 21,87
Humedad (%) 32% 32% 71% 65% 62%
Número de golpes - - 16 25 34
Promedio límite plástico (%)
32%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 11. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura 100 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
66%
Límite plástico (LP)%
32% Índice de
Plasticidad (IP) % 34%
55%
60%
65%
70%
75%
14 28
Hum
edad (
%)
N° de golpes
79
Tabla 24. Certificado de ensayo Número 11
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 11
Identificación de la muestra:
Caolinita 7 días - temperatura 100°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 14,05
13,5 13,75
13,91 13,97
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
21,29 17 22,49 23,25 25,18
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
19,68 16,1 18,94 19,6 20,94
Humedad (%) 29% 35% 68% 64% 61%
Número de golpes - - 16 26 35
Promedio límite plástico (%)
32%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 12. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura 100 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
65%
Límite plástico (LP)%
32% Índice de
Plasticidad (IP) % 33%
55%
57%
59%
61%
63%
65%
67%
69%
14 28
Hum
edad (
%)
N° de golpes
80
Tabla 25. Certificado de ensayo Número 12
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 12
Identificación de la muestra:
Caolinita 15 días - temperatura 100°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 13,95
12,5 13,28
13,61 14,87
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
19,25 18,74 28,78 27,58 31,78
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
17,94 17,33 22,39 22,18 25,5
Humedad (%) 33% 29% 70% 63% 59%
Número de golpes - - 16 26 35
Promedio límite plástico (%)
31%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 13. Curva de fluidez Caolinita 15 días – temperatura 100 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
64.3%
Límite plástico (LP)%
31% Índice de
Plasticidad (IP) % 33%
50%
55%
60%
65%
70%
15 30
Hum
edad (
%)
N° de golpes
81
Tabla 26. Certificado de ensayo Número 13
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 13
Identificación de la muestra:
Bentonita 1 día - temperatura 200°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 10,59
8,65 7,17
8,98 8,31
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
17,85 16,87 18,88 19,89 18,81
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
14,96 13,48 10,0 11,66 10,94
Humedad (%) 66% 70% 314% 307% 299%
Número de golpes - - 19 26 34
Promedio límite plástico (%)
68.2%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 14. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura 200 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
240%
Límite plástico (LP)%
68% Índice de
Plasticidad (IP) % 240%
280%
285%
290%
295%
300%
305%
310%
15 30
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
82
Tabla 27. Certificado de ensayo Número 14
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 14
Identificación de la muestra:
Bentonita 7 días - temperatura 200°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 13,46
10,22 13,62
13,89 13,61
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
17,58 16,37 26,18 26,31 25,67
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
15,9 13,85 16,61 16,89 16,58
Humedad (%) 69% 69% 320% 314% 306%
Número de golpes - - 17 26 33
Promedio límite plástico (%)
69%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 15. Curva de fluidez Bentonita 7 días – temperatura 200 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
314%
Límite plástico (LP)%
69% Índice de
Plasticidad (IP) % 245%
300%
305%
310%
315%
320%
325%
14 28
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
83
Tabla 28. Certificado de ensayo Número 15
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 15
Identificación de la muestra:
Caolinita 1 día - temperatura 200°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 11,31
12,68 13,93
14 13,6
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
19,54 19,33 25,89 22,93 25,69
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
17,58 17,71 21,07 19,47 21,14
Humedad (%) 31,26% 32% 68% 63% 60%
Número de golpes - - 18 26 33
Promedio límite plástico (%)
32%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 16. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura 200 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
64%
Límite plástico (LP)%
32% Índice de
Plasticidad (IP) % 32%
60%
61%
62%
63%
64%
65%
66%
67%
68%
69%
70%
15 30
Hum
edad (
%)
N° de golpes
84
Tabla 29. Certificado de ensayo Número 16
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 16
Identificación de la muestra:
Caolinita 7 días - temperatura 200°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 13,82
10,54 13,94
13,71 13,63
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
20,57 18,77 26,43 24,46 25,25
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
19,05 16,82 21,54 20,38 21,01
Humedad (%) 29% 31% 64% 61% 57%
Número de golpes - - 16 24 34
Promedio límite plástico (%)
30%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 17. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura 200 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
61%
Límite plástico (LP)%
30% Índice de
Plasticidad (IP) % 31%
55%
57%
59%
61%
63%
65%
67%
15 30
Hum
edad (
%)
N° de golpes
85
Tabla 30. Certificado de ensayo Número 17
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 17
Identificación de la muestra:
Bentonita 1 día - temperatura 250°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 13,84
12,58 13,74
13,6 13,48
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
17,51 20,14 21,9 22,38 23,56
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
16,16 17,455346 15,97 16,05 16,33
Humedad (%) 58% 55% 266% 258% 254%
Número de golpes - - 19 26 33
Promedio límite plástico (%)
57%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 18. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura 250 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
260%
Límite plástico (LP)%
57% Índice de
Plasticidad (IP) % 203%
240%
245%
250%
255%
260%
265%
270%
15 30
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
86
Tabla 31. Certificado de ensayo Número 18
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 18
Identificación de la muestra:
Bentonita 7 días - temperatura 250°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 13,58
12,54 13,61
15,01 13,81
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
18,21 17,78 21,38 24,88 23,54
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
16,58 15,96 15,76 17,79 16,6
Humedad (%) 54% 53% 261% 255% 249%
Número de golpes - - 16 27 35
Promedio límite plástico (%)
54%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 19. Curva de fluidez bentonita 7 días – temperatura 250 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
256%
Límite plástico (LP)%
54% Índice de
Plasticidad (IP) % 202%
240%
245%
250%
255%
260%
265%
270%
14 28
Hu
me
da
d (
%)
N° de golpes
87
Tabla 32. Certificado de ensayo Número 19
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 19
Identificación de la muestra:
caolinita 1 día - temperatura 250°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 13,97
14,25 13,64
14,06 13,61
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
19,79 22,74 22,84 23,52 21,33
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
18,48 20,7 19,2 19,99 18,5
Humedad (%) 29% 32% 65% 60% 58%
Número de golpes - - 16 25 31
Promedio límite plástico (%)
30%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 20. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura 250 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
61%
Límite plástico (LP)%
30% Índice de
Plasticidad (IP) % 30%
50%
55%
60%
65%
70%
14 28
Hum
edad (
%)
N° de golpes
88
Tabla 33. Certificado de ensayo Número 20
CERTIFICADO DE ENSAYO N° 20
Identificación de la muestra:
Caolinita 7 días - temperatura 250°C
LÍMITE PLÁSTICO LÍMITE LÍQUIDO
Ensayo N° 1 2 1 2 3
Peso de la capsula (g) 13,61
12,58 13,29
14,12 13,88
Peso de la capsula + suelo Hum (g)
19,14 20,45 26,54 30,82 28,21
Peso de la capsula + suelo Seco(g)
17,92 18,77 21,7 25,21 23,59
Humedad (%) 28% 27% 58% 51% 48%
Número de golpes - - 18 26 34
Promedio límite plástico (%)
28%
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Gráfica 21. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura 250 °C
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Límite líquido (LL)%
53%
Límite plástico (LP)%
28% Índice de
Plasticidad (IP) % 25%
30%
35%
40%
45%
50%
55%
60%
15 30
Hum
edad (
%)
N° de golpes
89
6 ANÁLISIS DE RESULTADOS
De los ensayos realizados se observa que las propiedades fisicoquímicas de las arcillas varían, permitiendo un análisis de cada una. A continuación, se presentan gráficamente los resultados para ilustrar de manera más clara la diferencia de las propiedades antes y después de la aplicación de cada gradiente térmico.
6.1 Bentonita
6.1.1 Variación del límite líquido.
En la gráfica 22, se observa la variación del límite líquido de la bentonita.
Gráfica 22. Variación del límite líquido en la Bentonita
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Se puede observar que el límite líquido en la bentonita presenta un aumento significativo en los gradientes de temperatura: ambiente, 100 y 200 °C debido a que el material tiende a aumentar la capacidad de adsorción de agua la plasticidad se incrementa al variar la temperatura. Pero cuando la temperatura se encuentra alrededor de 250 °C las propiedades fisicoquímicas de la arcilla varia drásticamente generando un descenso representativo en el límite líquido; característica que está directamente relacionada con la superficie específica del material.
Debido a la caracterización del material es evidente que los escalones de temperatura críticos están comprendidos entre temperatura ambiente y 200 °C, ya que en estas temperaturas el material tiende a recuperar sus propiedades iniciales.
250,00%
260,00%
270,00%
280,00%
290,00%
300,00%
310,00%
320,00%
0 5 10 15
LL
(%
)
Días
TA
100 °C
200°C
250°C
90
6.1.2 Variación del límite plástico
En la gráfica 23, se observa la variación del límite plástico de la bentonita.
Gráfica 23. Variación del límite plástico de la Bentonita
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
El límite plástico al igual que el límite líquido, indican que el material se comporta de manera plástica hasta exponerse a temperatura de 250 °C. Después de esta temperatura, el material tiende a no comportarse como material plástico, debido a que se observa una tendencia al descenso en el límite plástico a lo largo del periodo de exposición.
Además, el límite plástico también presenta los mismos escalones críticos de temperatura que el límite líquido, teniendo en cuenta que en ese rango de temperaturas no se genera un cambio significativo en las propiedades fisicoquímicas del material.
6.1.3 Variación del índice de plasticidad
En la gráfica 24, se observa la variación del índice plástico de la bentonita.
50,00%
55,00%
60,00%
65,00%
70,00%
75,00%
0 5 10 15
LP
(%)
Días
TA
100°C
200 °C
250 °C
91
Gráfica 24. Variación del índice de plasticidad de la Bentonita
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
En consecuencia, del comportamiento de los ensayos anteriores el índice de plasticidad aumenta con la aplicación de los gradientes de temperatura, hasta alcanzar 250 °C, momento en el cual el índice de plasticidad evidencia un cambio decreciente con respecto a los valores obtenidos en los demás escalones de temperatura.
6.1.4 Variación de la superficie específica
En la gráfica 25, se observa la variación la superficie específica a un día de la bentonita.
Gráfica 25. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (1 día)
Nota:1) los valores obtenidos en la gráfica están tomados a 1 día durante la aplicación de los gradientes térmicos. 2) Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
190,00%
200,00%
210,00%
220,00%
230,00%
240,00%
250,00%
0 5 10 15 20
IP(%
)
Días
TA
100°C
200 °C
250 °C
420
440
460
480
500
520
540
0 50 100 150 200 250 300
Superf
icie
específ
ica (
m²/
g)
Temperatura (°C)
92
En la gráfica 26, se observa la variación de la superficie específica a los siete días de la bentonita.
Gráfica 26. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (7 días)
Nota:1) los valores obtenidos en la gráfica están tomados a 7 días durante la aplicación de los gradientes térmicos. 2) Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
En las gráficas 25 y 26, se observa que la superficie específica es mayor a medida que el gradiente térmico aumenta, hasta llegar al gradiente de 250° C donde se presenta un cambio brusco en las propiedades de adsorción del material y tiende a disminuir.
Además, se puede observar la relación que tiene la superficie específica con el límite líquido, ya que cuando el límite líquido aumenta el material se vuelve más plástico, y a su vez presenta un aumento en la capacidad de adsorción de agua generando una mayor superficie específica.
Al comparar las gráficas 25 y 26, se identificó que el valor más alto que se obtuvo de superficie específica fue de 531 m²/g; se determinó en el periodo de 7 días a una temperatura de 200 °C. Esto sucede debido a que el material se comportó de una manera relativamente diferente a un material natural, ya que en lugar de disminuir sus características de plasticidad el material se recuperaba y aumentaba la capacidad de adsorción de agua.
420
440
460
480
500
520
540
0 50 100 150 200 250 300
Superf
icie
específ
ica (
m²/
g)
Temperatura (°C)
93
6.2 Caolinita
6.2.1 Variación del límite líquido
En la gráfica 27, se observa la variación del límite líquido en la caolinita.
Gráfica 27. Variación del límite líquido en la Caolinita
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
El límite líquido de la caolinita presenta una tendencia evidente a descender tanto con la aplicación de los gradientes térmicos como con el periodo de exposición de las muestras. En el gradiente térmico crítico, que es temperatura ambiente se encuentra una reducción mínima del límite líquido; pero cuando es sometida a gradiente de 250 °C se observa una disminución clara ya que varía de 60,5% (un día) a 53% (7 días).
6.2.2 Variación del límite plástico
En la gráfica 28, se observa la variación del límite plástico en la caolinita.
50,00%
55,00%
60,00%
65,00%
70,00%
75,00%
0 5 10 15
LL
(%
)
Días
TA
100 °C
200°C
250°C
94
Gráfica 28. Variación del límite plástico de la Caolinita
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
En la gráfica 28, se presenta la variación del límite plástico vs el periodo de exposición de las muestras para los diferentes gradientes térmicos, donde se observa que al igual que el límite líquido desciende con el paso del tiempo y las diferentes temperaturas.
Ya que el límite plástico oscila entre 32,29% y 27,72% después de aplicar gradientes térmicos, indica que el material no se comporta como material plástico, presentando un cambio significativo en sus propiedades volviéndose un material más estable.
6.2.3 Variación del índice de plasticidad
En la gráfica 29, se observa la variación del índice de plasticidad en la caolinita.
Gráfica 29. Variación del índice de plasticidad de la Caolinita
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
27,00%
28,00%
29,00%
30,00%
31,00%
32,00%
33,00%
0 5 10 15 20
LP
(%
)
tiempo (días)
TA
100 °C
200 °C
250 °C
22,00%
27,00%
32,00%
37,00%
42,00%
47,00%
-4 1 6 11 16
IP (
%)
Días
TA
100 °C
200 °C
250°C
95
En este ensayo se determinó que el índice de plasticidad de las muestras disminuye con el aumento de los gradientes térmicos y a su vez con el aumento del tiempo que las muestras permanecieron dentro del horno.
Debido a que los límites líquido y plástico tuvieron una tendencia a disminuir con la aplicación de los gradientes térmicos se pudo observar que el índice de plasticidad obtuvo un comportamiento similar debido a que este parámetro es directamente proporcional al límite líquido y plástico.
6.2.4 Variación de la superficie específica
En la gráfica 30, se observa la variación la superficie específica a un día de la caolinita.
Gráfica 30. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (1 día)
Nota:1) los valores obtenidos en la gráfica están tomados a 1 día durante la aplicación de los gradientes térmicos. 2) Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
En la gráfica 31, se observa la variación la superficie específica a siete días de la caolinita.
70
75
80
85
90
95
100
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icie
específ
ica (
m²/
g)
Temperatura (°C)
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Gráfica 31. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (7 días)
Nota:1) los valores obtenidos en la gráfica están tomados a 7 días durante la aplicación de los gradientes térmicos. 2) Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
Según las gráficas 30 y 31, se observa que la superficie específica de la caolinita tiene una tendencia marcada a disminuir a medida que se aumenta la temperatura y el tiempo de exposición. Esta característica se puede otorgar a la perdida de las propiedades plásticas en el material debido al aumento de temperatura a la que fue expuesta. En definitiva, a mayor temperatura se pierde la capacidad de adsorción de agua y, por lo tanto, la superficie específica es menor.
De las dos graficas anteriores se identificó el valor más alto de superficie específica en la caolinita (98 m²/g) que se obtuvo a 1 día a una temperatura ambiente, razón por la cual es claro decir que en la caolinita disminuye notablemente la capacidad de adsorción de agua cuando es sometida a variación de temperatura.
Según todas las gráficas anteriores se puede analizar que la principal característica que marca el comportamiento de la bentonita es la plasticidad, debido a la gran capacidad de adsorción de agua. Esto convierte a la bentonita en un material con alta superficie específica comparada con la caolinita, arcilla que es mucho más estable y con condiciones más favorables para el uso ingenieril.
Por otro lado, al comparar los valores obtenidos de límite líquido y límite plástico en las muestras de las dos arcillas al ser sometidas a gradientes térmicos se observa que sus propiedades son totalmente inversas, ya que, en el caso de la bentonita, es una arcilla de alta plasticidad y la caolinita presenta baja plasticidad. Por tal razón, la bentonita no reporta ninguna disminución en la superficie específica a gradientes menores de 250 °C; en cambio, la caolinita presenta una tendencia a descender, permitiendo cambiar las propiedades fisicoquímicas con la aplicación de gradientes térmicos relativamente pequeños comparados con el caso de la bentonita.
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específ
ica (
m²/
g)
Temperatura (°C)
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6.3 Comparación superficie específica de las arcillas
En la gráfica 32, se contempla la variación de la superficie específica entre las dos arcillas.
Gráfica 32. Comparación de los valores de superficie específica de las dos acillas
Fuente. (Parrado & Toloza, 2017).
En la gráfica anterior se divisa la diferencia existente entre las dos arcillas. La bentonita a diferencia de la caolinita tiene una tendencia marcada al aumento en su superficie específica hasta ser sometida a un gradiente térmico de 200 °C, mientras que la caolinita presenta una tendencia netamente decreciente al aumentar la temperatura.
Por otra parte, los valores de superficie específica de la bentonita superan desproporcionadamente los valores de la caolinita; ya que la bentonita es una arcilla con partículas mucho más finas y netamente cohesiva, de tal manera que posee mayor capacidad de adsorción de agua.
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g/m
²)
Temperatura °C
Bentonita
Caolinita
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7 CONCLUSIONES
A partir de los ensayos de laboratorio realizados se evidenció una variación en el comportamiento de las propiedades de las dos arcillas. En cuanto a los ensayos índice de la bentonita se observó que la humedad crece conforme se incrementaba la temperatura; este comportamiento se genera debido a que la temperatura y el tiempo de exposición no es suficiente para cambiar la estructura química de la arcilla y disminuir la adsorción de agua. Sin embargo, en la misma arcilla a una temperatura de 250 °C y durante el mismo periodo de exposición, no se presenta recuperación en sus propiedades y por ende una disminución en la superficie específica.
Es de resaltar que para generar un cambio en las propiedades de la Bentonita y lograr una reducción de plasticidad en un periodo de exposición relativamente corto, se debe someter la arcilla probablemente a temperaturas como mínimo de 250 °C.
La Caolinita presento una decadencia significativa en la plasticidad al someterse a gradientes térmicos. Permitiendo variar fácilmente las propiedades y la capacidad de adsorción de agua, al aplicar gradientes térmicos relativamente menores con respecto a la Bentonita.
A raíz de los resultados obtenidos en el límite líquido de la Caolinita se logra apreciar una pérdida significativa de humedad desde la aplicación del primer gradiente (100°C). Por lo tanto, para reducir la capacidad de adsorción de agua en esta arcilla, se recomienda el uso de gradientes mayores a 100 °C.
Según los valores obtenidos en el índice de plasticidad y el límite líquido de la Bentonita se clasifica como una arcilla de alta plasticidad o CH y en el caso de la Caolinita se determina que es una arcilla de baja plasticidad o CL presentando baja y alta resistencia a la compresión respectivamente.
En cuanto al límite plástico se determinó de 32% para la caolinita y para la Bentonita de 69%, donde se puede observar que la Caolinita presenta menor contenido de agua respecto la Bentonita. Es importante aclarar que el límite plástico es el intervalo máximo en el que la arcilla puede sufrir cambios físicos.
Después de haber realizado los límites de consistencia se determinaron valores de adsorción de agua en las muestras de arcilla, observando que la Bentonita posee mayor capacidad de adsorción con respecto a la Caolinita. Esto se debe a que las partículas de la bentonita son extremadamente finas y presentan una estructura mineralógica que permite con mayor facilidad la entrada de agua y formación de una capa adherida a la superficie de la partícula.
Como resultado de la investigación las arcillas expuestas a la aplicación de los gradientes térmicos presentaron diversos valores de superficie específica. En el caso de la Bentonita los valores oscilaron entre 480 – 426 m2/g y en la Caolinita 98 – 61 m2/g. Es posible relacionar los valores de superficie específica con la capacidad
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de adsorción de agua y el comportamiento de las arcillas, por tal razón a mayor superficie específica mayor será el contenido de agua. Debido a esto, se puede concluir de la bentonita es una arcilla propensa a sufrir cambios volumétricos y por lo tanto es un material no apto para cimentar debido a su inestabilidad. Por otro lado, gracias a su alta capacidad de adsorción de agua puede ser usada para la estabilización de perforaciones profundas.
En caso de la Caolinita es una arcilla que presenta baja capacidad de adsorción de agua debido a su estructura mineralógica, de esta manera presenta baja plasticidad y una alta resistencia seca. Por lo tanto, es una arcilla que no presenta problemas de estabilidad siendo un suelo apto para obras ingenieriles.
Según las gráficas de variación de superficie específica para ambas arcillas se puede concluir que la diferenciación es mayor de un gradiente de temperatura a otro que durante el tiempo de exposición. Por lo tanto, es más factible usar gradientes mayores que aumentar el tiempo de exposición.
Mediante el desarrollo de esta investigación se puede deducir que la aplicación de gradientes térmicos es un método que funciona para la estabilización de suelos, debido a que se generan una variación en las propiedades fisicoquímicas que perduran pero que no genera cambios permanentes, ya que estos cambios son generados a temperaturas mayores de 400 °C. A su vez, cabe aclarar que, aunque funciona no es un método factible para la utilización in situ, porque no existe una forma de garantizar la aplicación de gradientes térmicos en campo.
Es interesante hacer notar que la capacidad de adsorción de agua es mayor en la arcilla Bentonita que en la arcilla Caolinita, debido que la Bentonita es una arcilla de alta capacidad de adsorción gracias a su estructura mineralógica. Con la aplicación de gradientes térmicos, la capacidad de adsorción disminuye en las arcillas estudiadas, denotando la deshidratación de sus fases minerales, lo que probablemente colapsa la estructura disminuyendo su área superficial.
Por último, hizo falta aumentar el periodo de exposición de las muestras en el horno para observar el comportamiento a largo plazo.
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ANEXOS
Anexó 1. Tabla de clasificación suelos finos en el sistema USCS.
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Anexó 2.Tabla de clasificación del sistema británico BS 5930.
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Anexó 3. Tabla de clasificación de suelos de la ASSTHO.
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Anexó 4. Clasificación de suelos por el método FAA.