La arcilla es un tipo de material de suelo natural de grano fino que contiene minerales arcillosos [1] (filosilicatos de aluminio hidratados, p. ej. , caolinita , Al2Si2O5 ( OH ) 4 ). La mayoría de los minerales arcillosos puros 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 . [2] [3]
Las arcillas desarrollan plasticidad cuando están húmedas, pero pueden endurecerse mediante la cocción . [4] [5] [6] La arcilla es el material cerámico más antiguo conocido . Los humanos prehistóricos descubrieron las propiedades útiles de la arcilla y la usaron para hacer cerámica . Algunos de los fragmentos de cerámica más antiguos se han datado alrededor del 14.000 a. C., [7] y las tablillas de arcilla fueron el primer medio de escritura conocido. [8] La arcilla se utiliza en muchos procesos industriales modernos, como la fabricación de papel , la producción de cemento y el filtrado químico . Entre la mitad y dos tercios de la población mundial vive o trabaja en edificios hechos con arcilla, a menudo horneada en ladrillos, como parte esencial de su estructura portante.
La arcilla es una sustancia muy común. La pizarra , formada principalmente a partir de arcilla, es la roca sedimentaria más común. [9] Aunque muchos depósitos naturales incluyen tanto limos como arcilla, las arcillas se distinguen de otros suelos de grano fino por las diferencias de tamaño y mineralogía. Los limos , que son suelos de grano fino que no incluyen minerales arcillosos, tienden a tener tamaños de partículas más grandes que las arcillas. Las mezclas de arena , limo y menos del 40% de arcilla se denominan marga . Los suelos con alto contenido de arcillas hinchables ( arcilla expansiva ), que son minerales arcillosos que se expanden fácilmente en volumen cuando absorben agua, son un gran desafío en la ingeniería civil . [1]
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 plástico ) donde la arcilla está lo suficientemente húmeda para moldearse, hasta un contenido de agua máximo (llamado límite líquido) donde la arcilla moldeada está lo suficientemente seca para mantener su forma. [10] El límite plástico de la arcilla de caolinita varía de aproximadamente 36% a 40% y su límite líquido varía de aproximadamente 58% a 72%. [11] La arcilla de alta calidad también es tenaz, medida por la cantidad de trabajo mecánico requerido para aplanar una muestra de arcilla. Su tenacidad refleja un alto grado de cohesión interna. [10]
La arcilla tiene un alto contenido de minerales arcillosos que le dan su plasticidad. Los minerales arcillosos son minerales de filosilicato de aluminio hidratado , compuestos de iones de aluminio y silicio unidos en pequeñas y delgadas placas mediante la interconexión de iones de oxígeno e hidróxido . Estas placas son resistentes pero flexibles y, en la arcilla húmeda, se adhieren entre sí. Los agregados resultantes le dan a la arcilla la cohesión que la hace plástica. [12] En la arcilla de caolinita , la unión entre las placas la proporciona una película de moléculas de agua que unen las placas mediante enlaces de hidrógeno . Los enlaces son lo suficientemente débiles como para permitir que las placas se deslicen una sobre la otra 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 ser moldeada. Cuando la arcilla se seca, la mayoría de las moléculas de agua se eliminan y las placas se unen mediante enlaces de hidrógeno directamente entre sí, de modo que la arcilla seca es rígida pero aún frágil. Si la arcilla se humedece nuevamente, volverá a ser plástica. Cuando la arcilla se cuece hasta 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 arcilloso caolinita se transforma en un material no arcilloso, el metacaolín , que permanece rígido y duro si se humedece nuevamente. La cocción posterior a través de las etapas de gres y porcelana recristaliza aún más el metacaolín en minerales aún más fuertes como la mullita . [6]
El tamaño diminuto y la forma de placa de las partículas de arcilla le dan a los minerales arcillosos una gran área superficial. En algunos minerales arcillosos, las placas tienen 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 intercambiar lugares con los cationes en la capa alrededor de las partículas de arcilla, lo que le da a las arcillas una alta capacidad de intercambio iónico . [12] La química de los minerales arcillosos, incluida su capacidad para retener cationes nutrientes como el potasio y el amonio, es importante para la fertilidad del suelo. [13]
La arcilla es un componente común de la roca sedimentaria . La pizarra se forma principalmente a partir de arcilla y es la más común de las rocas sedimentarias. [9] Sin embargo, la mayoría de los depósitos de arcilla son impuros. Muchos depósitos naturales incluyen limos y 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 tamaños de partículas más grandes 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 los científicos del suelo generalmente consideran que la separación ocurre en 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. [4] Las partículas del tamaño de la arcilla y los minerales arcillosos no son lo mismo, a pesar de un grado de superposición en sus respectivas definiciones. Los ingenieros geotécnicos distinguen entre limos y arcillas en función de las propiedades de plasticidad del suelo, medidas según los límites de Atterberg de los suelos . La norma ISO 14688 clasifica las partículas de arcilla como menores de 2 μm y las partículas de limo como mayores. Las mezclas de arena , limo y menos del 40 % de arcilla se denominan margas .
Algunos minerales arcillosos (como la esmectita ) se describen como minerales arcillosos hinchables, porque tienen una gran capacidad para absorber agua y aumentan mucho de volumen cuando lo hacen. Cuando se secan, se encogen hasta recuperar su volumen original. Esto produce texturas distintivas, como grietas de barro o textura de "palomitas de maíz", en los depósitos arcillosos. Los suelos que contienen minerales arcillosos hinchables (como la bentonita ) plantean un desafío considerable para la ingeniería civil, porque la arcilla hinchable puede romper los cimientos de los edificios y arruinar los lechos de las carreteras. [1]
Los minerales arcillosos se forman más comúnmente por la erosión química prolongada de rocas que contienen silicato. También pueden formarse localmente a partir de la actividad hidrotermal . [14] La erosión química se produce principalmente por hidrólisis ácida debido a 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 ). [15]
Los minerales arcillosos que se forman dependen de la composición de la roca de origen 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 illita . La esmectita se forma por la meteorización de rocas ígneas en condiciones alcalinas, mientras que la gibbsita se forma por la meteorización intensa de otros minerales arcillosos. [16]
Existen dos tipos de depósitos de arcilla: primarios y secundarios. Las arcillas primarias se forman como depósitos residuales en el suelo y permanecen en el lugar de formación. Las arcillas secundarias son arcillas que han sido transportadas desde su ubicación original por la erosión hídrica y depositadas en un nuevo depósito sedimentario . [17] Los depósitos de arcilla secundaria suelen estar asociados a entornos deposicionales de muy baja energía , como grandes lagos y cuencas marinas. [14]
Los principales grupos de arcillas incluyen caolinita , montmorillonita - esmectita e illita . La clorita , la vermiculita , [18] el talco y la pirofilita [19] 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 diferentes tipos, junto con otros minerales meteorizados. [20] Los minerales arcillosos en las arcillas se identifican más fácilmente utilizando difracción de rayos X en lugar de pruebas químicas o físicas. [21]
La varva (o arcilla varvada ) 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 antiguos lagos glaciares . Cuando los sedimentos finos se depositan en las tranquilas aguas de estas cuencas de lagos glaciares lejos de la costa, se depositan en el lecho del lago. La estratificación estacional resultante se conserva en una distribución uniforme de bandas de sedimentos arcillosos. [14]
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 . [22] Es una arcilla muy sensible, propensa a la licuefacción , y ha estado involucrada en varios deslizamientos de tierra mortales . [23]
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La arcilla de modelar se utiliza en el arte y la artesanía para esculpir . Las arcillas se utilizan para hacer cerámica , tanto utilitaria como decorativa, y productos de construcción, como ladrillos, paredes y baldosas. Diferentes tipos de arcilla, cuando se utilizan 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 se han datado alrededor de 14.000 a. C. [7] Ollas de cocina, objetos de arte, vajillas, pipas de fumar e incluso instrumentos musicales como la ocarina se pueden moldear a partir de arcilla antes de ser cocidos.
Los pueblos antiguos de Mesopotamia adoptaron las tablillas de arcilla como el primer medio de escritura conocido. [8] Se eligió la arcilla debido a que el material local era fácil de trabajar y estaba ampliamente disponible. [24] Los escribas escribían en las tablillas inscribiéndolas con una escritura conocida como cuneiforme , utilizando una caña roma llamada estilete , que producía efectivamente las marcas en forma de cuña de su escritura. Después de escribir en ellas, las tablillas de arcilla podían reelaborarse en tablillas nuevas y reutilizarse si era necesario, o cocerse para convertirlas en registros permanentes. Las bolas de arcilla hechas a medida se usaban como munición de honda . [25] La arcilla se utiliza en muchos procesos industriales, como la fabricación de papel , la producción de cemento y el filtrado químico . [26] La arcilla de bentonita se usa ampliamente como aglutinante de moldes en la fabricación de fundiciones de arena . [27] [28]
La arcilla es un material de relleno común en los nanocompuestos poliméricos . Puede reducir el coste del compuesto, así como impartir un comportamiento modificado: mayor rigidez , menor permeabilidad , menor conductividad eléctrica , etc. [29]
Los usos tradicionales de la arcilla como medicina se remontan a tiempos prehistóricos. Un ejemplo es el bole armenio , que se utiliza para aliviar el malestar estomacal. Algunos animales, como los loros y los cerdos, ingieren arcilla por razones similares. [30] La arcilla de caolín y la atapulgita se han utilizado como medicamentos antidiarreicos. [31]
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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 que se encuentran en la naturaleza, como la piedra y los materiales orgánicos como la madera. [32] 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 horneada en ladrillos, como parte esencial de su estructura portante. [ cita requerida ] También es un ingrediente principal en muchas técnicas de construcción natural , la arcilla se utiliza para crear adobe , cob , leña y estructuras y elementos de construcción como bahareque , yeso de arcilla, revestimiento de arcilla, pisos de arcilla y pinturas de arcilla y material de construcción cerámico . La arcilla se usaba como mortero en chimeneas de ladrillo y paredes de piedra donde se protegían del agua.
La arcilla, relativamente impermeable al agua, también se utiliza donde se necesitan sellos naturales , como en revestimientos de estanques, núcleos de presas o como barrera en vertederos contra filtraciones tóxicas (revestimiento del vertedero, preferiblemente en combinación con geotextiles ). [33] Estudios realizados a 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. [34] [35]
