La arcilla es un tipo de material de suelo natural de grano fino que contiene minerales arcillosos [1] (filosilicatos de aluminio hidratados, por ejemplo, caolinita , Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 ). Las arcillas desarrollan plasticidad cuando están húmedas, pero pueden endurecerse mediante cocción . [2] [3] [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 . [5] [6]
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 primeros fragmentos de cerámica datan de 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 viven o trabajan en edificios hechos con arcilla, a menudo cocida para convertirla 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. [9] Aunque muchos depósitos naturales incluyen tanto limos 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 tamaños de partículas mayores que las arcillas. Se denomina marga a las mezclas de arena , limo y menos del 40% de arcilla . 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 desafío importante en la ingeniería civil . [1]
La propiedad mecánica definitoria de la arcilla es su plasticidad cuando está húmeda y su capacidad para 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 mínimo de agua (llamado límite plástico ) donde la arcilla está lo suficientemente húmeda como para moldearse, hasta un contenido máximo de agua (llamado límite líquido) donde la arcilla se moldea. la arcilla está lo suficientemente seca como para mantener su forma. [10] El límite plástico de la arcilla 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 resistente, medida por la cantidad de trabajo mecánico necesario para aplanar una muestra de arcilla. Su dureza refleja un alto grado de cohesión interna. [10]
La arcilla tiene un alto contenido de minerales arcillosos que le confieren 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 resistentes pero flexibles y, en arcilla húmeda, se adhieren entre sí. Los agregados resultantes dan a la arcilla la cohesión que la hace plástica. [12] En la arcilla caolinita , la unión entre las placas se proporciona mediante una película de moléculas de agua que unen las placas con hidrógeno . Las uniones son lo suficientemente débiles como para permitir que las placas se deslicen unas sobre otras 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 moldearse. Cuando la arcilla se seca, la mayoría de las moléculas de agua se eliminan y las placas se unen 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 agua adicional de la arcilla, lo que hace que las placas de arcilla se adhieran irreversiblemente entre sí mediante enlaces covalentes más fuertes , que fortalecen el material. El mineral arcilloso caolinita 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 . [4]
El tamaño diminuto y la forma de placa de las partículas de arcilla confieren a los minerales arcillosos una gran superficie. En algunos minerales arcillosos, las placas llevan una carga eléctrica negativa que está equilibrada por 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 de nutrientes como el potasio y el amonio, es importante para la fertilidad del suelo. [13]
La arcilla es un componente común de las rocas sedimentarias . El esquisto se forma principalmente a partir de arcilla y es la roca sedimentaria más común. [9] Sin embargo, la mayoría de los depósitos de arcilla son impuros. Muchos depósitos naturales incluyen tanto limos como arcilla. Las arcillas se distinguen de otros suelos de grano fino por diferencias de tamaño y mineralogía. Los limos , que son suelos de grano fino que no incluyen minerales arcillosos, tienden a tener tamaños de partículas mayores 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 suelen considerar que la separación se produce con un tamaño de partícula de 2 μm (las arcillas son más finas que los limos), los sedimentólogos suelen utilizar entre 4 y 5 μm y los químicos coloides utilizan 1 μm. [2] Las partículas del tamaño de la arcilla y los minerales arcillosos no son lo mismo, a pesar de cierto grado de superposición en sus respectivas definiciones. Los ingenieros geotécnicos distinguen entre limos y arcillas según las propiedades de plasticidad del suelo, medidas por los límites de Atterberg del suelo . La norma ISO 14688 clasifica las partículas de arcilla como de tamaño inferior a 2 μm y las partículas de limo como de mayor tamaño. Se denomina marga a las mezclas de arena , limo y menos del 40% de arcilla .
Algunos minerales arcillosos (como la esmectita ) se describen como minerales arcillosos hinchables porque tienen una gran capacidad para absorber agua y aumentan considerablemente de volumen cuando lo hacen. Cuando se secan, vuelven a reducirse a su volumen original. Esto produce texturas distintivas, como grietas de barro o texturas de "palomitas de maíz", en los depósitos de arcilla. 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 erosión química prolongada de rocas que contienen silicatos. También pueden formarse localmente a partir de actividad hidrotermal . [14] La meteorización química se produce en gran medida 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 (en forma de gel de ácido ortosilícico ).) [15]
Los minerales arcillosos formados dependen de la composición de la roca madre y del clima. La erosión ácida de rocas ricas en feldespato , como el granito , en climas cálidos tiende a producir caolín. La erosión del mismo tipo de roca en condiciones alcalinas produce illita . La esmectita se forma por la erosión de rocas ígneas en condiciones alcalinas, mientras que la gibbsita se forma por la erosión intensa de otros minerales arcillosos. [dieciséis]
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 hídrica y depositadas en un nuevo depósito sedimentario . [17] Los depósitos de arcilla secundarios suelen estar asociados con entornos de depósito 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 erosionados. [20] Los minerales arcillosos en las arcillas se identifican más fácilmente mediante difracción de rayos X en lugar de pruebas químicas o físicas. [21]
Varve (o arcilla varved ) es arcilla con capas anuales visibles que se forman por deposición estacional de esas capas y están marcadas por diferencias en erosión y contenido orgánico. Este tipo de depósito es común en antiguos lagos glaciares . Cuando los sedimentos finos llegan a las aguas tranquilas de estas cuencas de lagos glaciales lejos de la costa, se depositan en el lecho del lago. Las capas estacionales resultantes se conservan 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 licuarse , y ha estado involucrada en varios deslizamientos de tierra mortales . [23]
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La arcilla para 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. Se utilizan diferentes tipos de arcilla, cuando se utilizan con diferentes minerales y condiciones de cocción, para producir loza, gres y porcelana. Los humanos prehistóricos descubrieron las propiedades útiles de la arcilla. Algunos de los primeros fragmentos de cerámica recuperados proceden del centro de Honshu , Japón . Están asociados con la cultura Jōmon y los depósitos recuperados datan de alrededor del 14.000 a.C. [7] A partir de arcilla se pueden moldear ollas, objetos de arte, vajillas, pipas e incluso instrumentos musicales como la ocarina antes de cocerlos.
Los pueblos antiguos de Mesopotamia adoptaron 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 escribieron en las tablillas inscribiéndolas con una escritura conocida como cuneiforme , usando una caña roma llamada lápiz , que efectivamente producía las marcas en forma de cuña de su escritura. Después de escribir sobre ellas, las tablillas de arcilla podían transformarse en tablillas nuevas y reutilizarse si fuera necesario, o cocerse para convertirlas en registros permanentes. Como munición para honda se utilizaron bolas de arcilla fabricadas expresamente . [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 bentonita se utiliza ampliamente como aglutinante de moldes en la fabricación de piezas fundidas en arena . [27] [28]
Los usos tradicionales de la arcilla como medicina se remontan a tiempos prehistóricos. Un ejemplo es el bole armenio , que se utiliza para calmar el malestar estomacal. Algunos animales, como los loros y los cerdos, ingieren arcilla por motivos similares. [29] La arcilla de caolín y la atapulgita se han utilizado como medicamentos antidiarreicos. [30]
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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 y naturales, como la piedra y materiales orgánicos como la madera. [31] Entre la mitad y dos tercios de la población mundial, tanto en las sociedades tradicionales como en los países desarrollados, todavía viven o trabajan en edificios hechos con arcilla, a menudo cocida para convertirla en ladrillo, como parte esencial de su capacidad de carga. estructura. [ cita necesaria ] También es un ingrediente principal en muchas técnicas de construcción naturales , la arcilla se usa para crear adobe , mazorca , leña y estructuras y elementos de construcción como acacia y barro , yeso de arcilla, revestimiento de arcilla, pisos de arcilla y pinturas de arcilla y cerámica. material de construcción . La arcilla se utilizaba como mortero en chimeneas de ladrillo y muros de piedra protegidos del agua.
La arcilla, relativamente impermeable al agua, también se utiliza cuando se necesitan sellos naturales , como en el revestimiento de estanques, en los núcleos de presas o como barrera en vertederos contra filtraciones tóxicas (revestimiento del vertedero, preferiblemente en combinación con geotextiles ). [32] Los 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. [33] [34]
