Minerales Que Componen El Suelo 6f5662

Maestría en Ingeniería Geotécnica: Curso: Propiedades Físicas e Ingenieriles de los Suelos; Tarea N° 2, 11 de Septiembre de 2013, Universidad Tecnológica de Panamá, Panamá

PRINCIPALES MINERALES QUE COMPONEN EL SUELO, SUS PROPIEDADES Y LA TEORIA DE LA DOBLE CAPA DIFUSA FERNANDO AYAX ALVARADO SAAVEDRA Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Tecnológica de Panamá, Vía Centenario, Panamá. E-mail: [email protected] 1

Principales Minerales que componen el Suelo:

Los minerales que componen el suelo están formados por complejos silicatos de aluminio formados por una o dos unidades básicas: el tetraedro de sílice y el octaedro de alúmina. La combinación de las primeras da una lámina de sílice y las segundas; una lámina octaédrica. El tetraedro de sílice está formado de cuatro (4) átomos de oxígeno que rodean a un átomo de silicio. Mientras que el octaedro consiste en seis (6) hidroxilos que rodean a un átomo de aluminio. Al combinarse producen la lámina octaédrica conocida también como lámina de gibbsita. Si el magnesio reemplaza al aluminio en la unidades octaédrica se convierte en lámina de brucita. El primer mineral Caolinita (del grupo de las Caolinitas-Serpentinas) está formado por capas repetidas de láminas elementales de sílice-gibbsita de 7.2 Å de espesor unidas entre sí por enlaces hidrogénicos. La caolinita se forma en placas de dimensiones laterales de 1000 a 20,000 Å y espesores de 100 a 1000 Å. Tiene una superficie específica (área superficial de las partículas por masa unitaria) de 15 m2/g. El segundo mineral en importancia que compone el suelo lo constituye la Ilita que consiste en una lámina de gibbsita unida a dos láminas de sílice, arriba y debajo de 10 Å de espesor. Las capas de ilita están unidas por iones de potasio. La sustitución de aluminio por silicio en láminas tetraédrica es la causante de la carga negativa para balancear los iones de potasio. Esta sustitución de un elemento por otro, sin cambio en la forma cristalina, se conoce como sustitución isomorfa. Este mineral tiene dimensiones que varían entre 1000 y 5000 Å y espesores que oscilan entre los 50 a 500 Å. Su superficie específica está en los 80 m2/g. El tercer mineral en importancia lo forma la Monmorilonita del grupo de minerales arcillosos llamados Smectita, el cual tiene una estructura similar a la ilita. Está constituida por una lámina de gibbsita intercalada entre dos láminas de sílice de 9.6 Å de espesor. En ella encontramos una sustitución isomorfa de magnesio y hierro por aluminio en las láminas octaédrica. La diferencia la constituyes los iones de potasio, los cuales no están presente como en la ilita y gran cantidad de agua es atraída hacia los espacios entre las capas. Sus dimensiones laterales están entre los 1000 a 5000 Å y sus espesores de 10 a 50 Å. Tiene una superficie específica de 800 m2/g. Existen, además de los tres minerales arcillosos importantes, otros minerales que se encuentran en los suelos como son la Halloysita, Clorita, Vermiculita y Atapulgita. La Halloysita es un mineral del grupo de la Caloinita cuya composición mineralógica resulta del lavado o lixiviación del Feldespato por Acido Sulfúrico. El espesor entre cada lámina de Gibbsita-Silice es de 7.2 Å. La Clorita es un grupo compuesto de varios minerales. Consiste en láminas repetidas de sílice, alúmina, sílice y luego Gibbsita o Brucita. El espesor entre cada lamina es de 1.4 Å.

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La Atalpugita es un mineral arcilloso fibroso compuesto de cadenas de silica entrelazados en conjunto con moléculas de oxígeno a lo largo de sus extremos longitudinales para formar franjas sencillas o grupales. Sus partículas son relativamente rígidas entre 5 a 10 Å de espesor, 10 a 20 Å de ancho y de 0.1 a 1 Å de longitud. Su superficie específica es de 150 m2/g. La vermiculita es un mineral formado por silicatos de hierro o magnesio, del grupo de las micas. Se origina principalmente en la alteración hidrotermal de biotita. Presenta las siguientes propiedades: Ligereza: las densidades aparentes de la vermiculita oscilan entre 60 y 140 kg/m³, según granulometrías. Aislamiento térmico: la vermiculita expandida mantiene su capacidad de aislamiento entre 200 y 1200 °C. Conductividad Térmica: es de 0,053 kcal/h/m °C para una temperatura media de 20 °C. Su Capacidad Calorífica es muy baja (0,2). Naturalmente con el aumento de la temperatura, el coeficiente aumenta como en cualquier material aislante, pero con una proporción mucho menor. Las paredes brillantes de las laminillas de mica de vermiculita forman una multitud de pantallas que reflejan y dispersan la energía calorífica transmitida por radiación, y convierten a dicho material en el aislante ideal para altas temperaturas. Aislamiento acústico: al incidir las ondas sonoras sobre las laminillas multidireccionales de la vermiculita expandida, estas son reflejadas en multitud de direcciones y absorbidas por la estructura microscópica de burbujas de aire del mineral. Por esta razón la vermiculita es un excelente aislante acústico para una amplísima gama de frecuencias. Resistencia al fuego: el punto de fusión de la vermiculita es 1.370 °C y la temperatura de reblandecimiento es 1.250º C. Es un mineral incombustible y químicamente muy estable a altas temperaturas lo que lo convierte en un material idóneo para la protección contra el fuego. Inalterabilidad: la vermiculita es insensible a los agentes atmosféricos y al paso del tiempo. Es estable, químicamente neutra (pH = 7,2) e inerte, no es higroscópica y no produce ninguna acción sobre el hierro o el acero. La figura N° 1 que se muestra a continuación presenta la estructura de los minerales que componen el suelo.

Figura N° 1: Estructuras de los principales minerales que componen el suelo: a) Caolinita, b) Ilita, c) Monmorilonita. Referencia: Das, Braja M (1997) Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. Segunda Edición, Thompson Editors, México, D.F.

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2 Teoría de la Doble Capa Difusa: En los suelos secos al aire, las cargas negativas de las arcillas, sustancias húmicas y la capa de cationes que las rodean forman una doble capa denominada Doble Capa de Helmholtz. Cuando el suelo se humedece, la capa de agua que rodea las partículas crece y la superficie no retiene tan fuertemente los cationes. La atracción electrostática en los iones es neutralizada por la difusión de cationes que tiende a igualar las diferencias de concentración de la fase acuosa externa. El balance entre estas dos fuerzas hace que la concentración de los cationes disminuya con la distancia a partir de la superficie. Luego, la carga negativa del coloide es neutralizada por los iones de la solución que constituyen la “doble capa difusa”. La teoría de la doble capa difusa sobre la superficie de las arcillas fue creada por Gouy y Chapman simultáneamente, por lo que se le conoce también como Capa Difusa de Gouy-Chapman. Referencias: 

Juárez Badillo, Eulalio y Rico Rodríguez, Alfonso (1963). Mecánica de Suelos Tomo I:

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Sáez B., Deeyvid, Apuntes del Curso de Maestría en Ingeniería Geotécnica, Propiedades Físicas e

Fundamentos de la Mecánica de Suelos. Editorial Limusa, Tercera Edición, 1980. Págs: 33-49. Ingenieriles de los Suelos, Módulo I: Origen y Formación de los Suelos, Unidad II: Mineralogía de los Suelos. Págs.: 6-8. 

Terzaghi, Karl, Peck, Ralph B. y Mesri, Gholamreza. Soil Mechanics in Engineering Practice, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 1996. Págs: 7-10.

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