Arcilla

La arcilla es un tipo de material de suelo natural de grano fino que contiene minerales arcillosos. Las arcillas desarrollan plasticidad cuando están húmedas, debido a una película molecular de agua que rodea las partículas de arcilla, pero se vuelven duras, quebradizas y no plásticas al secarse o cocerse. La mayoría de los minerales de arcilla pura son blancos o de color claro, pero las arcillas naturales muestran una variedad de colores debido a las impurezas, como un color rojizo o marrón debido a pequeñas cantidades de óxido de hierro.

La arcilla es el material cerámico más antiguo que se conoce. Los humanos prehistóricos descubrieron las propiedades útiles de la arcilla y la utilizaron para hacer cerámica. Algunos de los fragmentos de cerámica más antiguos datan de alrededor del 14.000 a. C., y las tablillas de arcilla fueron el primer medio de escritura conocido. La arcilla se utiliza en muchos procesos industriales modernos, como la fabricación de papel, la producción de cemento y el filtrado de productos químicos. Entre la mitad y dos tercios de la población mundial vive o trabaja en edificios hechos con arcilla, a menudo cocida en ladrillo, como parte esencial de su estructura portante.

La arcilla es una sustancia muy común. El esquisto, formado en gran parte a partir de arcilla, es la roca sedimentaria más común. Aunque muchos depósitos naturales incluyen tanto limo como arcilla, las arcillas se distinguen de otros suelos de grano fino por diferencias en tamaño y mineralogía. Los limos, que son suelos de grano fino que no incluyen minerales arcillosos, tienden a tener partículas de mayor tamaño que las arcillas. Las mezclas de arena, limo y menos del 40% de arcilla se denominan franco. Los suelos con alto contenido de arcillas expansivas, que son minerales arcillosos que se expanden fácilmente en volumen cuando absorben agua, son un desafío importante en la ingeniería civil.

Propiedades

La propiedad mecánica que define a la arcilla es su plasticidad cuando está húmeda y su capacidad de endurecerse cuando se seca o se cuece. Las arcillas muestran un amplio rango de contenido de agua dentro del cual son altamente plásticas, desde un contenido de agua mínimo (llamado límite de plasticidad) donde la arcilla está lo suficientemente húmeda para moldear, hasta un contenido de agua máximo (llamado límite líquido) donde el moldeado la arcilla está lo suficientemente seca para mantener su forma. El límite plástico de la arcilla caolinita oscila entre un 36 % y un 40 % y su límite líquido oscila entre un 58 % y un 72 %. La arcilla de alta calidad también es resistente, según lo medido por la cantidad de trabajo mecánico requerido para aplanar una muestra de arcilla. Su dureza refleja un alto grado de cohesión interna.

La arcilla tiene un alto contenido de minerales arcillosos que le dan su plasticidad. Los minerales arcillosos son minerales filosilicatos de aluminio hidratados, compuestos de iones de aluminio y silicio unidos en placas diminutas y delgadas mediante la interconexión de iones de oxígeno e hidróxido. Estas placas son duras pero flexibles, y en arcilla húmeda se adhieren entre sí. Los agregados resultantes le dan a la arcilla la cohesión que la hace plástica.En la arcilla de caolinita, la unión entre las placas la proporciona una película de moléculas de agua que unen las placas con hidrógeno. Los enlaces son lo suficientemente débiles como para permitir que las placas se deslicen entre sí cuando se moldea la arcilla, pero lo suficientemente fuertes como para mantener las placas en su lugar y permitir que la arcilla moldeada conserve su forma después de moldeada. Cuando la arcilla se seca, la mayoría de las moléculas de agua se eliminan y las placas de hidrógeno se unen directamente entre sí, de modo que la arcilla seca es rígida pero aún frágil. Si la arcilla se vuelve a humedecer, volverá a ser plástica. Cuando la arcilla se cuece a la etapa de loza, una reacción de deshidratación elimina el agua adicional de la arcilla, lo que hace que las placas de arcilla se adhieran irreversiblemente entre sí a través de un enlace covalente más fuerte, lo que fortalece el material. El mineral de arcilla, caolín, se transforma en un material no arcilloso, el metacaolín, que permanece rígido y duro si se vuelve a humedecer. La cocción adicional a través de las etapas de gres y porcelana recristaliza aún más el metacaolín en minerales aún más fuertes como la mullita.

El tamaño diminuto y la forma de placa de las partículas de arcilla le dan a los minerales de arcilla un área de superficie alta. En algunos minerales arcillosos, las placas llevan una carga eléctrica negativa que se equilibra con una capa circundante de iones positivos (cationes), como sodio, potasio o calcio. Si la arcilla se mezcla con una solución que contiene otros cationes, estos pueden intercambiarse con los cationes en la capa alrededor de las partículas de arcilla, lo que les da a las arcillas una gran capacidad de intercambio iónico. La química de los minerales arcillosos, incluida su capacidad para retener cationes de nutrientes como el potasio y el amonio, es importante para la fertilidad del suelo.

La arcilla es un componente común de las rocas sedimentarias. El esquisto se forma en gran parte a partir de arcilla y es la más común de las rocas sedimentarias. Sin embargo, la mayoría de los depósitos de arcilla son impuros. Muchos depósitos naturales incluyen tanto limo como arcilla. Las arcillas se distinguen de otros suelos de grano fino por diferencias en tamaño y mineralogía. Los limos, que son suelos de grano fino que no incluyen minerales arcillosos, tienden a tener partículas de mayor tamaño que las arcillas. Sin embargo, existe cierta superposición en el tamaño de las partículas y otras propiedades físicas. La distinción entre limo y arcilla varía según la disciplina. Los geólogos y científicos del suelo generalmente consideran que la separación ocurre con un tamaño de partícula de 2 μm (las arcillas son más finas que los limos), los sedimentólogos a menudo usan 4–5 μm y los químicos coloidales usan 1 μm.Los ingenieros geotécnicos distinguen entre limos y arcillas según las propiedades de plasticidad del suelo, medidas por los límites de Atterberg de los suelos. ISO 14688 clasifica las partículas de arcilla como menores de 2 μm y las partículas de limo como más grandes. Las mezclas de arena, limo y menos del 40% de arcilla se denominan franco.

Algunos minerales arcillosos (como la esmectita) se describen como minerales arcillosos expansivos porque tienen una gran capacidad para absorber agua y aumentan mucho de volumen cuando lo hacen. Cuando se secan, se encogen de nuevo a su volumen original. Esto produce texturas distintivas, como grietas de barro o textura de "palomitas de maíz", en depósitos de arcilla. Los suelos que contienen minerales arcillosos expansivos (como la bentonita) representan un desafío considerable para la ingeniería civil, ya que la arcilla expansiva puede romper los cimientos de los edificios y arruinar los lechos de las carreteras.

Formación

Los minerales arcillosos se forman más comúnmente por la meteorización química prolongada de las rocas que contienen silicatos. También pueden formarse localmente a partir de la actividad hidrotermal. La meteorización química tiene lugar en gran medida por hidrólisis ácida debido a las bajas concentraciones de ácido carbónico, disuelto en el agua de lluvia o liberado por las raíces de las plantas. El ácido rompe los enlaces entre el aluminio y el oxígeno, liberando otros iones metálicos y sílice (como un gel de ácido ortosilícico).

Los minerales arcillosos formados dependen de la composición de la roca madre y del clima. La meteorización ácida de rocas ricas en feldespato, como el granito, en climas cálidos tiende a producir caolín. La meteorización del mismo tipo de roca en condiciones alcalinas produce ilita. La esmectita se forma por meteorización de rocas ígneas en condiciones alcalinas, mientras que la gibbsita se forma por meteorización intensa de otros minerales arcillosos.

Hay dos tipos de depósitos de arcilla: primarios y secundarios. Las arcillas primarias se forman como depósitos residuales en el suelo y permanecen en el sitio de formación. Las arcillas secundarias son arcillas que han sido transportadas desde su ubicación original por la erosión del agua y depositadas en un nuevo depósito sedimentario. Los depósitos de arcilla secundaria se asocian típicamente con entornos de depósito de muy baja energía, como grandes lagos y cuencas marinas.

Variedades

Los principales grupos de arcillas incluyen caolinita, montmorillonita-esmectita e ilita. La clorita, la vermiculita, el talco y la pirofilita a veces también se clasifican como minerales arcillosos. Hay aproximadamente 30 tipos diferentes de arcillas "puras" en estas categorías, pero la mayoría de los depósitos de arcilla "naturales" son mezclas de estos tipos diferentes, junto con otros minerales erosionados. Los minerales arcillosos en las arcillas se identifican más fácilmente mediante difracción de rayos X en lugar de pruebas químicas o físicas.

Varve (o arcilla varved) es arcilla con capas anuales visibles que se forman por la deposición estacional de esas capas y están marcadas por diferencias en la erosión y el contenido orgánico. Este tipo de depósito es común en los antiguos lagos glaciares. Cuando los sedimentos finos llegan a las tranquilas aguas de estas cuencas lacustres glaciales lejos de la costa, se asientan en el lecho del lago. La estratificación estacional resultante se conserva en una distribución uniforme de bandas de sedimentos arcillosos.

La arcilla rápida es un tipo único de arcilla marina autóctona de los terrenos glaciares de Noruega, América del Norte, Irlanda del Norte y Suecia. Es una arcilla muy sensible, propensa a la licuefacción, y ha estado involucrada en varios deslizamientos de tierra mortales.

Usos

La arcilla de modelar se utiliza en el arte y la artesanía para esculpir. Las arcillas se utilizan para fabricar cerámica, tanto utilitaria como decorativa, y productos de construcción, como ladrillos, paredes y baldosas. Diferentes tipos de arcilla, cuando se usan con diferentes minerales y condiciones de cocción, se utilizan para producir loza, gres y porcelana. Los humanos prehistóricos descubrieron las propiedades útiles de la arcilla. Algunos de los primeros fragmentos de cerámica recuperados son del centro de Honshu, Japón. Están asociados con la cultura Jōmon y los depósitos recuperados datan de alrededor del 14.000 a. Las ollas de cocina, los objetos de arte, la vajilla, las pipas de fumar e incluso los instrumentos musicales como la ocarina se pueden moldear con arcilla antes de cocerlos.

Las tabletas de arcilla fueron el primer medio de escritura conocido. Los escribas escribieron inscribiéndolos con escritura cuneiforme usando una caña desafilada llamada estilo. Se utilizaron bolas de arcilla especialmente diseñadas como munición de cabestrillo. La arcilla se utiliza en muchos procesos industriales, como la fabricación de papel, la producción de cemento y el filtrado de productos químicos. La arcilla de bentonita se usa ampliamente como aglutinante de moldes en la fabricación de piezas fundidas en arena.

Medicamento

Los usos tradicionales de la arcilla como medicina se remontan a tiempos prehistóricos. Un ejemplo es el bole armenio, que se usa para calmar el malestar estomacal. Algunos animales, como los loros y los cerdos, ingieren arcilla por razones similares. La arcilla de caolín y la atapulgita se han utilizado como medicamentos antidiarreicos.

Construcción

La arcilla, como ingrediente definitorio de la marga, es uno de los materiales de construcción más antiguos de la Tierra, entre otros materiales geológicos antiguos y naturales, como la piedra y materiales orgánicos como la madera. Entre la mitad y dos tercios de la población mundial, tanto en las sociedades tradicionales como en los países desarrollados, todavía vive o trabaja en edificios hechos con arcilla, a menudo cocida en ladrillo, como parte esencial de su estructura portante. También un ingrediente principal en muchas técnicas de construcción natural, la arcilla se usa para crear adobe, mazorca, leña y estructuras y elementos de construcción como zarzo y barro, yeso de arcilla, revestimiento de arcilla, pisos de arcilla y pinturas de arcilla y material de construcción de cerámica. La arcilla se usaba como mortero en chimeneas de ladrillo y muros de piedra donde se protegía del agua.

La masa pronosticada de minerales arcillosos que se descargarán en los relaves del procesamiento del mineral asciende a millones de toneladas. Es preocupante que cuando se encuentran macro y microcomponentes en concentraciones no peligrosas, se dedican menos esfuerzos a la gestión ambiental de los relaves, aunque los sedimentos tecnogénicos ofrecen perspectivas de reutilización y valorización más allá de su eliminación tradicional. La saponita es un ejemplo demostrativo del componente de los relaves que a menudo se maltrata injustamente. La separación electroquímica ayuda a obtener productos que contienen saponita modificada con altas concentraciones de minerales del grupo de la esmectita, menor tamaño de partículas minerales, estructura más compacta y mayor área de superficie. Estas características abren posibilidades para la fabricación de sorbentes de cerámica y metales pesados ​​de alta calidad a partir de productos que contienen saponita.Además, la molienda de cola se produce durante la preparación de la materia prima para la cerámica; este reprocesamiento de residuos es de gran importancia para el uso de pulpa de arcilla como agente neutralizante, ya que se requieren partículas finas para la reacción. Los experimentos sobre la desacidificación de Histosol con la suspensión de arcilla alcalina demostraron que la neutralización con un nivel de pH promedio de 7,1 se alcanza al 30% de la pulpa añadida y un sitio experimental con pastos perennes demostró la eficacia de la técnica.

La arcilla, relativamente impermeable al agua, también se usa donde se necesitan sellos naturales, como en los núcleos de las represas, o como barrera en los vertederos contra filtraciones tóxicas (revestimiento del vertedero, preferiblemente en combinación con geotextiles). Los estudios de principios del siglo XXI han investigado las capacidades de absorción de la arcilla en diversas aplicaciones, como la eliminación de metales pesados ​​de las aguas residuales y la purificación del aire.