Comportamiento de una Partícula en Presencia de Agua e Iones – Suelos.

Consideremos ahora la naturaleza de una partícula de suelo en el agua, ya que éste es el estado que suele interesar casi siempre al ingeniero civil. Para conseguir una visión más general partiremos de dos partículas típicas de arcilla. La Fig. 5.6a muestra una partícula típica de montmorilonita, que es uno de los minerales arcillosos más pequeños y más susceptibles al agua; en la Fig. 5.6b aparece una partícula típica de caolinita, uno de los minerales mayores y menos sensibles a la humedad presentes en la arcilla. La Fig. 5.7 muestra una parte de la superficie lateral de cada una de estas partículas de arcilla junto con las posiciones de los iones de cambio. 

Figura 5.6

Fig. 5.7. Superficie de suelos con iones de cambio, a) Superficie de caolinita seca + iones de sodio. b) Superficie de montmorilonita + iones de sodio. c) Hidratación del lón de sodio. 

Las dos partículas típicas de arcilla contienen aproximadamente 14,000 iones de cambio monovalentes en ¡a montmorilonita y,4000,000 de iones monovalentes en la caolinita. La Fig. 5.8 contiene el cálculo del número de cargas negativas no compensadas, o número de iones de cambio monovalentes, en la partícula de montmorilonita. A efectos ilustrativos se ha elegido aquí el sodio como ion de cambio. Así pues la partícula de montmorilonita de la Fig. 5.6 podría llevar 14,000 iones de sodio y la de caolinita
4.000,000.

Si se sumergen ahora ambas partículas de arcilla en agua, tanto las superficies minerales como los iones de cambio absorberán agua, es decir, se hidratarán. Al hidratarse, el ion de sodio aumenta unas 7 veces, como se ilustra en la Fig. 5.7. Como se aprecia en los dibujos a escala, los iones de sodio hidratado son demasiado grandes para disponerse en una capa monoiónica sobre las partículas minerales, incluso teniendo afinidad química. En realidad, los iones de cambio junto con su envoltura de agua se separan de las superficies minerales hacia posiciones de equilibrio. Estos iones, son atraídos a la superficie del mineral para equilibrar la carga negativa existente en la misma; por otra parte, tenderán a separarse unos de otros por efecto de sus energías térmicas; las posiciones reales que ocupan son un compromiso entre ambos tipos de fuerzas. Así pues, cuando se sumergen en agua las partículas, los iones se separan de su superficie para formar lo que se denomina la doble capa.2 En la Fig. 5.9 se muestran las partículas de arcilla con las dobles capas completamente desarrolladas, tal como se formarían en agua pura. La Fig. 5.10 reproduce en tres dimensiones las mismas superficies de la Fig. 5.7. A partir de la Fig. 5.10 se puede tener una idea de la separación aproximada de los iones hidratados en la doble capa. Estas separaciones representan un máximo ya que el medio fluido es en este caso agua destilada. La Fig. 5.11 muestra las dobles capas de las partículas de caolinita sódica y de montmorilonita sódica a la misma escala de la Fig. 5.10. En la Fig. 5.lla se han representado los iones en torno a determinadas superficies en forma de cargas puntuales. La Fig. 5.11b muestra la concentración de iones de sodio en función de la distancia a la superficie de la partícula. A una distancia de aproximadamente 400 Á que es el espesor de la doble capa, la concentración de iones sodio es igual a Ja que existe en el agua intersticial o libre. En la Fig. 5.1 lc se ha representado el potencial eléctrico en función de la distancia a la superficie. El potencial eléctrico es el trabajo necesario para desplazar una carga unitaria desde el infinito hasta el punto en cuestión, siendo negativo para las superficies arcillosas. El espesor de las dobles capas es, por tanto, la distancia a la superficie necesaria para neutralizar la carga neta de la partícula, es decir la distancia en la que existe un potencial eléctrico. 

 Figura 5.8  Numero de Cargas Negativas de una particula de Montmorilonita.

El agua de la doble capa está sometida a una fuerza de atracción hacia la partícula de suelo ya que el agua es solidaria de los iones de cambio que, a su vez, resultan atraídos hacia la superficie del suelo. El agua también es atraída hacia la superficie mineral por otras fuerzas (la fuerza que existe entre el agua polar y las cargas eléctricas repartidas sobre la superficie de la partícula, enlaces de hidrógeno y fuerzas de van der Waals). Aunque existe controversia respecto a la naturaleza exacta del agua en la inmediata proximidad a la superficie mineral, se suele admitir generalmente que, por lo menos, las primeras capas moleculares de agua en torno a la partícula están fuertemente atraídas a la misma.

Con objeto de ilustrar mejor la importancia de esta agua adsorbida, calculemos para unas partículas de suelo típicas el contenido de agua correspondiente a una capa de 5A (aproximadamente el espesor de 2 moléculas de agua).

La tabla 5.2, que es solamente aproximada e indica. órdenes de magnitud, ilustra la gran importancia del tamaño de las partículas sobre la cantidad de agua adsorbida. Para aclarar el significado de estos resultados, considérese que una arcilla ilítica típica en la naturaleza puede tener una humedad del 50%. Según nuestros cálculos, vemos que casi toda esta agua es libre, es decir no está fuertemente adsorbida por el esqueleto mineral y por tanto constituye una fase separada de éste. Por otro lado, en muchas arcillas con elevado contenido de montmorilonita, puede ser bastante difícil separar la fase mineral de la acuosa.

TABLA 5.2

 

Fig. 5.9. Partículas de suelo con agua e iones. a) Montmorilonita sádica. b) Caolinita sádica.

Existen ciertos minerales del suelo que tienen capacidad para retener una cantidad relativamente grande de agua. El mineral más común de éstos es la haloisita, que tiene una estructura cristalina semejante a la caolinita, corno se indicó en la Fig. 4.11. Debido a la capacidad de la haloisita para adsorber agua entre las capas de sílice, los suelos que contienen este mineral pueden presentar una humedad elevada y una densidad muy baja. Las arcillas con haloisita se han empleado con éxito para núcleos de presa, aunque, compactadas, sus pesos específicos secos eran de sólo 0.80 - 0.95 t/m3 (la mitad del de las arcillas normales) y las humedades del 30 al 50 % (dos o más veces la humedad habitual’ de compactación de la arcilla). Varios ejemplos de este tipo han sido dados por Lambe y Martin (1953-1957).

Figura 5.10  Superficies de partículas con agua  e iones  a) Caolinita sodica b) Montmorilonita Sodica.

Figura 5.11   Partículas con dobles capas.

En la exposición anterior, se eligió el sodio como ion de cambio. Los iones adsorbidos sobre las partículas de suelo pueden ser substituidos fácilmente, como se ilustra en la reacción simbólica de la Fig. 5.12. La adición de cloruro cálcico a un sistema suelo-agua da por resultado la substitución del sodio por el calcio. La naturaleza del ion de cambio existente en la partícula de suelo tiene una influencia importante sobre el comportamiento del suelo. Teniendo en cuenta, por ejemplo, la tabla 3.4 adviértase cómo los límites de Atterberg de la arcilla dependen en gran parte de la naturaleza del ion de cambio.

Una reacción como la indicada en la Fig. 5.12, da por resultado una depresión de la doble capa en tomo a la partícula de suelo, es decir, el espesor de la capa con agua en torno a la partícula se reduce. Esta reducción de la doble capa de la partícula da lugar a una variación en las propiedades del suelo formado por las mismas. Existen principios generales que controlan la velocidad y dirección de las reacciones de cambio. Estos principios tienen en cuenta la valencia de los iones intercambiados, la concentración de cationes, etc.

Figura 5.12 Reacción de cambio ionico.