Arena

La arena es un material granular compuesto de roca finamente dividida y partículas minerales. La arena tiene varias composiciones, pero se define por su tamaño de grano. Los granos de arena son más pequeños que la grava y más gruesos que el limo. La arena también puede referirse a una clase textural de suelo o tipo de suelo; es decir, un suelo que contiene más del 85 por ciento de partículas del tamaño de arena en masa.

La composición de la arena varía, dependiendo de las fuentes y condiciones de las rocas locales, pero el componente más común de la arena en entornos continentales interiores y entornos costeros no tropicales es la sílice (dióxido de silicio o SiO ₂), generalmente en forma de cuarzo.

El carbonato de calcio es el segundo tipo de arena más común, por ejemplo, la aragonita, que en los últimos 500 millones de años ha sido creada principalmente por diversas formas de vida, como el coral y los mariscos. Por ejemplo, es la principal forma de arena aparente en áreas donde los arrecifes han dominado el ecosistema durante millones de años, como el Caribe. Un poco más raramente, la arena puede estar compuesta de sulfato de calcio, como yeso y selenita, como se encuentra en lugares como el Parque Nacional White Sands y el Refugio Nacional de Vida Silvestre Salt Plains en los EE. UU.

La arena es un recurso no renovable en escalas de tiempo humanas, y la arena adecuada para fabricar hormigón tiene una gran demanda. La arena del desierto, aunque abundante, no es apta para el hormigón. Cada año se utilizan 50 mil millones de toneladas de arena de playa y arena fósil para la construcción.

Composición

La definición exacta de arena varía. El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos científico utilizado en ingeniería y geología corresponde a los Tamices Estándar de EE. UU. y define la arena como partículas con un diámetro de entre 0,074 y 4,75 milímetros. Según otra definición, en términos del tamaño de partícula que usan los geólogos, las partículas de arena varían en diámetro desde 0,0625 mm (o ¹ ⁄ ₁₆ mm), un volumen de aproximadamente 0,00012 milímetros cúbicos, hasta 2 mm, un volumen de aproximadamente 4,2 milímetros cúbicos, el diferencia en volúmenes siendo 34,688 medidas de diferencia. Cualquier partícula que se encuentre dentro de este rango de tamaños se denomina grano de arena.. Los granos de arena se encuentran entre grava (con partículas que van desde 2 mm hasta 64 mm en el último sistema, y ​​desde 4,75 mm hasta 75 mm en el primero) y limo (partículas menores de 0,0625 mm hasta 0,004 mm). La especificación de tamaño entre arena y grava se ha mantenido constante durante más de un siglo, pero los diámetros de partículas tan pequeños como 0,02 mm se consideraban arena según el estándar de Albert Atterberg en uso a principios del siglo XX. Los granos de arena en The Sand Reckoner de Arquímedes, escrito alrededor del 240 a. C., tenían 0,02 mm de diámetro. Una especificación de 1938 del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos fue de 0,05 mm.Un estándar de ingeniería de 1953 publicado por la Asociación Estadounidense de Funcionarios de Transporte y Carreteras Estatales estableció el tamaño mínimo de arena en 0,074 mm. La arena se siente arenosa cuando se frota entre los dedos. El limo, en comparación, se siente como harina.

La norma ISO 14688 califica las arenas como finas, medianas y gruesas con rangos de 0,063 mm a 0,2 mm a 0,63 mm a 2,0 mm. En los Estados Unidos, la arena se divide comúnmente en cinco subcategorías según el tamaño: arena muy fina (¹ ⁄ ₁₆ – ¹ ⁄ ₈ mm de diámetro), arena fina (¹ ⁄ ₈ mm – ¹ ⁄ ₄ mm), arena mediana (¹ ⁄ ₄ mm – ¹ ⁄ ₂ mm), arena gruesa (¹ ⁄ ₂ mm – 1 mm) y arena muy gruesa (1 mm – 2 mm). Estos tamaños se basan en la escala phi de Krumbein, donde el tamaño en Φ = -log ₂D; siendo D el tamaño de partícula en mm. En esta escala, para la arena, el valor de Φ varía de −1 a +4, con las divisiones entre subcategorías en números enteros.

El constituyente más común de la arena, en entornos continentales interiores y entornos costeros no tropicales, es la sílice (dióxido de silicio o SiO ₂), generalmente en forma de cuarzo, que, debido a su inercia química y dureza considerable, es el más mineral común resistente a la intemperie.

La composición de la arena mineral es muy variable, dependiendo de las fuentes y condiciones locales de la roca. Las arenas blancas y brillantes que se encuentran en entornos costeros tropicales y subtropicales son piedra caliza erosionada y pueden contener fragmentos de coral y conchas, además de otro material fragmentario orgánico o de origen orgánico, lo que sugiere que la formación de arena también depende de los organismos vivos.Las dunas de arena de yeso del Parque Nacional White Sands en Nuevo México son famosas por su color blanco brillante. Arkose es una arena o arenisca con un contenido considerable de feldespato, derivada de la meteorización y la erosión de un afloramiento de roca granítica (generalmente cercano). Algunas arenas contienen magnetita, clorita, glauconita o yeso. Las arenas ricas en magnetita son de color oscuro a negro, al igual que las arenas derivadas de basaltos volcánicos y obsidiana. Las arenas que contienen clorita-glauconita son típicamente de color verde, al igual que las arenas derivadas de lava basáltica con un alto contenido de olivino. Muchas arenas, especialmente las que se encuentran extensamente en el sur de Europa, tienen impurezas de hierro dentro de los cristales de cuarzo de la arena, lo que le da un color amarillo intenso. Los depósitos de arena en algunas áreas contienen granates y otros minerales resistentes, incluidas algunas piedras preciosas pequeñas.

Fuentes

Las rocas se erosionan o meteorizan durante un largo período de tiempo, principalmente por el agua y el viento, y sus sedimentos son transportados río abajo. Estos sedimentos continúan rompiéndose en pedazos más pequeños hasta que se convierten en finos granos de arena. El tipo de roca del que se originó el sedimento y la intensidad del ambiente dan diferentes composiciones de arena. La roca más común para formar arena es el granito, donde los minerales de feldespato se disuelven más rápido que el cuarzo, lo que hace que la roca se rompa en pedazos pequeños. En entornos de alta energía, las rocas se rompen mucho más rápido que en entornos más tranquilos. En las rocas de granito, esto da como resultado más minerales de feldespato en la arena porque no tienen tanto tiempo para disolverse. El término para la arena formada por meteorización es "epiclástico".

La arena de los ríos se recolecta del propio río o de su planicie de inundación y representa la mayor parte de la arena utilizada en la industria de la construcción. Debido a esto, muchos ríos pequeños se han agotado, causando preocupación ambiental y pérdidas económicas en las tierras adyacentes. La tasa de extracción de arena en tales áreas supera en gran medida la tasa de reposición de la arena, lo que la convierte en un recurso no renovable.

Las dunas de arena son una consecuencia de las condiciones secas o la deposición del viento. El desierto del Sahara es muy seco debido a su ubicación geográfica y proximidad al ecuador. Es conocido por sus vastas dunas de arena, que existen principalmente debido a la falta de vegetación y agua. Con el tiempo, el viento se lleva las partículas finas, como la arcilla y la materia orgánica muerta, dejando solo arena y rocas más grandes. Solo el 15% del Sahara son dunas de arena, mientras que el 70% es roca desnuda. El viento es el responsable de crear estos diferentes ambientes y moldear la arena para que sea redonda y suave. Estas propiedades hacen que la arena del desierto sea inutilizable para la construcción.

La arena de la playa también se forma por la erosión. Durante miles de años, las rocas se erosionan cerca de la costa debido al movimiento constante de las olas y la acumulación de sedimentos. La meteorización y la deposición de los ríos también aceleran el proceso de creación de una playa, junto con los animales marinos que interactúan con las rocas, como comer las algas de ellas. Una vez que hay una cantidad suficiente de arena, la playa actúa como una barrera para evitar que la tierra se erosione más. Esta arena es ideal para la construcción ya que es angular y de varios tamaños.

La arena marina (o arena oceánica) proviene de los sedimentos transportados al océano y de la erosión de las rocas oceánicas. El espesor de la capa de arena varía, sin embargo es común tener más arena más cerca de la tierra; este tipo de arena es ideal para la construcción y es un bien muy valioso. Europa es la principal minera de arena marina, lo que perjudica enormemente a los ecosistemas y la pesca local.

Estudio

El estudio de granos individuales puede revelar mucha información histórica sobre el origen y tipo de transporte del grano. La arena de cuarzo que se erosionó recientemente a partir de cristales de cuarzo de granito o gneis será angular. Se llama grus en geología o arena afilada en el sector de la construcción, donde se prefiere para el hormigón, y en jardinería, donde se utiliza como enmienda del suelo para aflojar los suelos arcillosos. La arena que es transportada largas distancias por el agua o el viento será redondeada, con patrones característicos de abrasión en la superficie del grano. La arena del desierto suele ser redondeada.

Las personas que recolectan arena como pasatiempo se conocen como arenófilas. Los organismos que prosperan en ambientes arenosos son psammófilos.

Usos

• Abrasión: antes de la lija, la arena húmeda se usaba como elemento abrasivo entre los dispositivos giratorios con superficie elástica y los materiales duros como la piedra muy dura (fabricación de jarrones de piedra) o el metal (eliminación de manchas viejas antes de volver a teñir ollas de cobre).
• Agricultura: Los suelos arenosos son ideales para cultivos como sandía, durazno y maní, y sus excelentes características de drenaje los hacen aptos para la ganadería lechera intensiva.
• Filtración de aire: las partículas de arena más finas mezcladas con tela se usaban comúnmente en ciertos diseños de filtros de máscaras de gas, pero en gran medida han sido reemplazadas por microfibras.
• Acuarios: la arena es un material base para acuarios de bajo costo que algunos creen que es mejor que la grava para uso doméstico. También es una necesidad para los tanques de arrecifes de agua salada, que emulan entornos compuestos en gran parte por arena de aragonito descompuesta de corales y mariscos.
• Arrecifes artificiales: la arena embolsada con geotextil puede servir como base para nuevos arrecifes.
• Islas artificiales en el Golfo Pérsico.
• Regeneración de playas: los gobiernos mueven arena a las playas donde las mareas, las tormentas o los cambios deliberados en la costa erosionan la arena original.
• Ladrillo: Las plantas de fabricación agregan arena a una mezcla de arcilla y otros materiales para fabricar ladrillos.
• Mazorca: La arena gruesa constituye hasta el 75% de la mazorca.
• Concreto: La arena es a menudo un componente principal de este material de construcción crítico.
• Vidrio: La arena rica en sílice es el principal componente de los vidrios comunes.
• Fractura hidráulica: una técnica de perforación para gas natural, que utiliza arena de sílice redondeada como "apuntalante", un material para mantener abiertas las grietas causadas por el proceso de fractura hidráulica.
• Paisajismo: La arena forma pequeñas colinas y pendientes (los campos de golf serían un ejemplo).
• Mortero: La arena se mezcla con cemento de albañilería o cemento Portland y cal para usarse en la construcción de albañilería.
• Pintura: La mezcla de arena con pintura produce un acabado texturizado para paredes y techos o superficies de pisos antideslizantes.
• Ferrocarriles: los maquinistas y los operadores de tránsito ferroviario utilizan arena para mejorar la tracción de las ruedas sobre los rieles.
• Recreación: Jugar con arena es una de las actividades favoritas en la playa. Uno de los usos más queridos de la arena es hacer estructuras a veces intrincadas, a veces simples conocidas como castillos de arena, proverbialmente impermanentes. Las áreas de juego especiales para niños, que encierran un área significativa de arena y se conocen como cajas de arena, son comunes en muchos parques infantiles públicos e incluso en algunas casas unifamiliares. Las dunas de arena también son populares entre los escaladores, motociclistas y conductores de buggy de playa.
• Carreteras: la arena mejora la tracción (y, por lo tanto, la seguridad del tráfico) en condiciones de hielo o nieve.
• Animación con arena: los artistas de performance dibujan imágenes en la arena. Los creadores de películas animadas usan el mismo término para describir el uso de arena en vidrio con iluminación frontal o retroiluminada.
• Fundición en arena: las ruedas humedecen o engrasan la arena de moldeo, también conocida como arena de fundición, y luego la moldean en moldes en los que vierten el material fundido. Este tipo de arena debe ser capaz de soportar altas temperaturas y presiones, permitir el escape de gases, tener un tamaño de grano pequeño y uniforme y no ser reactivo con los metales.
• Sacos de arena: estos protegen contra inundaciones y disparos. Las bolsas económicas son fáciles de transportar cuando están vacías y los voluntarios no calificados pueden llenarlas rápidamente con arena local en caso de emergencia.
• Chorro de arena: La arena graduada sirve como abrasivo en la limpieza, preparación y pulido.
• Silicio: La arena de cuarzo es una materia prima para la producción de silicio.
• Arma térmica: si bien ya no se usa ampliamente, la arena solía calentarse y verterse sobre las tropas invasoras en los períodos de tiempo clásico y medieval.
• Filtración de agua: los filtros de medios utilizan arena para filtrar el agua. También es comúnmente utilizado por muchas instalaciones de tratamiento de agua, a menudo en forma de filtros de arena rápidos.
• Wuḍūʾ: limpieza ritual islámica de partes del cuerpo.
• Zoanthid "esqueletos": animales en este orden de cnidarios bentónicos marinos relacionados con corales y anémonas de mar, incorporan arena en su mesoglea para la resistencia estructural, que necesitan porque carecen de un verdadero esqueleto.

Recursos y preocupaciones ambientales

Solo algunas arenas son adecuadas para la industria de la construcción, por ejemplo, para hacer hormigón. Debido al crecimiento de la población y de las ciudades y la consiguiente actividad de construcción, existe una gran demanda de este tipo especial de arena, y las fuentes naturales se están agotando. En 2012, el director francés Denis Delestrac realizó un documental llamado "Sand Wars" sobre el impacto de la falta de arena para la construcción. Muestra los efectos ecológicos y económicos del comercio legal e ilegal de arena para la construcción.

Para recuperar la arena se utiliza el método de dragado hidráulico. Esto funciona bombeando los primeros metros de arena fuera del agua y llenándolos en un bote, que luego se transporta de regreso a tierra para su procesamiento. Desafortunadamente, toda la vida marina mezclada con la arena extraída muere y el ecosistema puede seguir sufriendo durante años después de que se completa la extracción. Esto no solo afecta la vida marina, sino también las industrias pesqueras locales debido a la pérdida de vidas y las comunidades que viven cerca de la orilla del agua. Cuando se extrae la arena del agua, aumenta el riesgo de deslizamientos de tierra, lo que puede provocar la pérdida de tierras agrícolas y/o daños a las viviendas.

Los muchos usos de la arena requieren una importante industria de dragado, lo que genera preocupaciones ambientales sobre el agotamiento de los peces, los deslizamientos de tierra y las inundaciones. Países como China, Indonesia, Malasia y Camboya prohíben las exportaciones de arena, citando estos problemas como un factor importante. Se estima que el consumo anual de arena y grava es de 40 mil millones de toneladas y la arena es una industria global de US$70 mil millones. Con un uso cada vez mayor, se espera que provenga más del reciclaje y las alternativas a la arena.

La demanda mundial de arena en 2017 fue de 9.550 millones de toneladas como parte de una industria de $99.500 millones.

Peligros

Si bien la arena generalmente no es tóxica, las actividades que utilizan arena, como el pulido con chorro de arena, requieren precauciones. Las bolsas de arena de sílice que se utilizan para el pulido ahora llevan etiquetas que advierten al usuario que use protección respiratoria para evitar respirar el polvo fino de sílice resultante. Las fichas de datos de seguridad de la arena de sílice afirman que "la inhalación excesiva de sílice cristalina es un grave problema de salud".

En áreas de alta presión intersticial, la arena y el agua salada pueden formar arenas movedizas, que es un hidrogel coloide que se comporta como un líquido. Quicksand produce una barrera considerable para escapar de las criaturas atrapadas dentro, que a menudo mueren por exposición (no por inmersión) como resultado.

Fabricar

La arena manufacturada (arena M) es arena hecha de roca mediante procesos artificiales, generalmente para fines de construcción en cemento u hormigón. Se diferencia de la arena de río por ser más angular y tiene propiedades algo diferentes.

Estudios de caso

En Dubái, Emiratos Árabes Unidos, el uso de arena ha sido muy exigente en la construcción de infraestructura y creación de nuevas islas. Agotaron sus propias reservas y también importaron arena de Australia. Ha habido tres proyectos para crear islas artificiales que necesitan más de 835 millones de toneladas de arena, que cuestan más de US $ 26 mil millones.