Las Fuerzas R' y A' - Suelos.

Si consideramos dos partículas arcillosas muy separadas en un medio acuoso y las aproximamos, se alcanzará una separación para la cual empiecen a ejercerse fuerzas mutuamente. Como cada partícula lleva una carga neta negativa, ambas partículas se repelerán por efecto de la fuerza eléctrica de Coulomb desarrollada entre cargas del mismo signo. Es la denominada fuerza R’. Esta repulsión de las partículas de arcilla es análoga a la que existe entre dos imanes cuando se aproximan los polos negativos de ambos (o los polos positivos).

Como la carga negativa de una partícula de arcilla está equilibrada por los cationes de la doble capa, ambas partículas comienzan a repelerse cuando entran en contacto sus dobles capas. La fuerza repulsiva entre partículas adyacentes para una determinada separación está, por tanto, directamente relacionada con el tamaño de las dobles capas de ambas partículas y cualquier variación en las características del sistema suelo-agua que reduzca el espesor de las dobles capas reducirá su fuerza repulsiva, para una misma separación entre partículas. La Fig. 5.13 muestra la influencia de diversas características del sistema sobre el potencial eléctrico Ψ, y por tanto sobre R’, para una distancia x a la superficie de la partícula.

Además de una fuerza repulsiva entre las partículas de arcilla existe también una componente de atracción A’ entre ellas. Esta fuerza de atracción es la fuerza de vander Waals, o fuerza de enlace secundario que actúa entre moléculas adyacentes. Esta fuerza atractiva entre partículas arcillosas es esencialmente independiente de las características del fluido existente entre ellas.

En este punto es conveniente distinguir dos casos: a) aqu1 en que la fuerza total entre partículas es muy pequeña, es decir, equivalente al peso del suelo contenido en una cazoleta ordinaria; y b) el caso en que la fuerza total es equivalente al peso de un edificio o al de tres o más metros de sobrecarga de tierras.

El primer caso se presenta en un suelo sedimentario de primera formación, y cuyo estudio nos lleva a comprender cómo las partículas pueden disponerse en un depósito sedimentario. Este caso se estudia en la sección 5.4. Basta con considerar R’ y A’ sólo de forma cualitativa.

El segundo caso es típico en la práctica—ingenieril, y su estudio (ver la sección 5.5) nos lleva a comprender las fuerzas que se transmiten entre partículas. Para este estudio será necesario considerar R’ y A’ en forma cuantitativa.

Fig. 5.13. Efectos de tos cambios en las propiedades del sistema sobre las dobles capas. a) Al variar la concentración únicamente. .b) Al variar sólo la valencia. c) Al variar sólo la constante dieléctrica.

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.

Retículos Tridimensionales.

El cuarzo, estructura silicatada tridimensional, tiene una relación muy baja oxígeno: silicio (2:1) como se indica en la tabla 4.2. Resulta, por tanto, uno de los minerales más resistente a la meteorización. Los feldespatos tienen unas relaciones oxígeno: silicio elevadas (2.7 a 4.0) y por efecto de la meteorización pueden transformarse en minerales arcillosos. Como estos minerales son muy comentes en la composición de las rocas, especialmente el cuarzo y los feldespatos, también abundan mucho en los suelos. Aunque estos minerales se presentan a veces en partículas del tamaño de la arcilla, suelen ser más frecuentes en tamaños de limo o mayores. Debido a la naturaleza de su estructura, las partículas de los minerales con retículo tridimensional tienden a presentar formas aproximadamente equidimensionales. 

Tabla 4.2 Estructura de Silicatos.

Estructura de Tres Capas - Suelos.

Los silicatos de tres capas (tricapas) se forman colocando una capa de sílice por encima y otra por debajo de una capa de gibbsita o de brucita. La Fig. 4.9 muestra la estructura de la pirofilita formada por una capa de gibbsita entre dos de sílice. La Fig. 4.10 muestra la estructura de la moscovita, semejante a la pirofilita excepto por la substitución isomorfa de un átomo de aluminio por silicio en la moscovita. La carga neta negativa originada por esta substitución se equilibra con iones potasio, que sirven para unir los grupos de tres capas, como se indica en la estructura simbólica de la Fig. 4.10.

Las estructuras de tres capas más comunes en los suelos son la montmorilonita y la hita. La montmorilonita tiene una estructura semejante a la pirofilita con la excepción de que se ha producido la substitución isomorfa del magnesio por el aluminio en la capa de gibbsita.

La Fig. 4.11 resume los silicatos de mayor importancia para el ingeniero civil.

Figura 4.9  Estructura de Pirofilita  a) Estructura Atómica b) Representación Simbólica.

Fig 4.10  Estructura de la Moscovita  a) Estructura atómica b) Representación Simbólica.

Figura 4.11 Silicatos de Estructura Laminar.

Estructura de Dos Capas - Suelos.

Si colocamos una unidad de brucita sobre una unidad de silice obtenemos la serpentina, como indica la Fig. 4.7. Esta figura muestra tanto la estructura atómica como la representación simbólica. Combinando de manera semejante la gibbsita con la sílice se obtiene la caolinita (Fig. 4.8).

Una partícula mineral real no está formada generalmente por sólo unas pequeñas capas básicas, como indican las estructuras simbólicas de las Figs. 4.7 y 4.8. Por el contrario, un cierto número de capas están colocadas unas encima de otras para formar un cristal real; la partícula de caolinita que aparece en la Fig. 4.4 contiene aproximadamente 115 unidades de dos capas. La unión entre las unidades básicas bicapa está formada por enlaces de hidrógeno y fuerzas de valencia secundaria.

En la formación real de los silicatos suele ocurrir frecuentemente el fenómeno de substitución isomorfa. La substitución isomorfa (es decir “de la misma forma”), consiste en el reemplazamiento de un tipo de átomo por otro. Por ejemplo, uno de los lugares ocupados por un átomo de silicio en la Fig. 4.8 puede ser ocupado por un átomo de aluminio. Este ejemplo de substitución isomorfa podría producirse si en el punto de formación del mineral se dispusiera más fácilmente de un átomo de aluminio que de un átomo de silicio; por otro lado, el aluminio tiene unas características de coordinación bastante semejantes a las del silicio, por lo cual puede ocupar la posición de éste en la estructura cristalina. La’ substitución del aluminio que tiene valencia + 3 por el silicio de valencia + 4 tiene dos efectos importantes:

1. Aumento de una carga neta negativa debida a la substitución.
2. Una ligera distorsión de la estructura cristalina por no ser los iones de idéntico tamaño.

El significado de la carga neta se comentará en el capítulo 5. La distorsión tiende a coartar el crecimiento del cristal, limitando así el tamaño del mismo. En la caolinita existe escasa capacidad de substitución isomorfa, siendo una de las posibilidades la substitución de un átomo de silicio por uno de aluminio en la capa de sílice del mineral. Para explicar la carga de la caolinita basta con una substitución cada 400 iones de silicio.

Como la estructura básica de la caolinita está formada por una capa de gibbsita sobre una capa de sílice, este mineral se denomina de dos capas o ‘bicapa . La caolinita es el mineral más Importante y más común de los silicatos bicapa encontrados por el ingeniero. La haloisita, que tiene esencialmente la misma composición y estructura que la caolinita, es también un miembro interesante aunque poco habitual del grupo de los silicatos de dos capas. La diferencia principal entre la haloisita y la caolinita es la presencia de agua entre las capas básicas de la haloisita, lo que da lugar a que ésta se forme en partículas tubulares. 

Figura 4.7  Estructura de la serpentina a) Estructura Atómica b) Representación Simbólica.

 Figura  4.8  Estructura de la caolinita  a) Estructura Atómica  b) Representación Simbólica.

Carga Eléctrica de una Partícula de Suelo.

Todas las partículas del suelo poseen una carga eléctrica. Esto puede demostrarse fácilmente mezclando un suelo de grano fino con agua en un recipiente e introduciendo en diferentes posiciones del mismo dos electrodos que formen un circuito eléctrico con una pila y un amperímetro. El amperímetro indicará que la carga eléctrica del circuito se transmite a través de la mezcla suelo-agua. Aunque teóricamente una partícula de suelo puede poseer carga positiva o negativa, solamente se han medido cargas negativas. Esa carga eléctrica puede deberse a uno, o a una combinación, de los factores siguientes:

1. Substitución isomorfa
2. Disociación superficial de los iones hidroxilo.
3. Ausencia de cationes en la estructura cristalina.
4. Adsorción de aniones.
5. Presencia de materia orgánica.

De estas cinco posibles causas, la primera-substitución isomorfa— es la más importante.

Además de la carga eléctrica neta, una partícula de suelo puede poseer una carga de distribución, porque no coincide el centro de carga positiva con el centro de carga negativa1 Análogamente, los enlaces cristalinos de una partícula de suelo dan lugar a cargas locales.

Como la magnitud de la carga eléctrica está en relación directa con el área de la partícula, la influencia de esta carga sobre el comportamiento de la partícula en lo que se refiere a las fuerzas de masa (es decir, el peso de la partícula) estará directamente relacionado con el área por unidad de masa de las partículas. La magnitud del área por unidad de masa, superficie específica, resulta por tanto una buena indicación de la influencia relativa de las cargas eléctricas sobre el comportamiento de la partícula. El término coloide se emplea para describir una partícula cuyo comportamiento viene controlado por fuerzas de tipo superficial, en lugar de por fuerzas de masa. 

Una partícula de arcilla es un coloide debido a su pequeño tamaño y forma irregular. Cuanto más pequeña es una partícula, mayor es su superficie específica, como puede verse en la tabla 5.1. Se aprecia en esta tabla que la  Tabla 5,1 superficie específica aumenta de forma inversamente proporcional al tamafio de las partículas. Como puede comprobarse, la relación superficie-volumen de un cubo es 6/L y la de una esfera 6/D.

TABLA 5.1

La gama de tamaños de los coloides se ha fijado más o menos arbitrariamente en 1mμ, a lμ, como se indica en la figura 4.1. Por debajo de 1 mμ se encuentran los diámetros de átomos y moléculas. La mayoría de las partículas de tamaño superior a aproximadamente Iμ vienen influidas predominantemente por fuerzas de masa. También se ha propuesto una superficie específica de 25 m2/g como límite inferior de la fracción coloidal. Los principios de la química coloidal son muy útiles para entender el comportamiento de la arcilla.

Las partículas de limo o mayores tienen superficies especificas menores de 1 m2 /gr, es decir, considerablemente inferiores al límite inferior de la fase coloidal. La columna que indica “superficie específica” en la Fig. 4.11 da valores típicos correspondientes a las partículas arcillosas. Adviértase en especial la gran diferencia de superficie específica entre la caolinita (10 a 20 m2 /gr) y la montmorilonita (800 m2 /gr). La enorme superficie específica de la montmorilonita puede comprenderse si se tiene en cuenta que 6 gr de montniorilonita tienen aproximadamente la misma superficie de un campo de fútbol, o que solamente 12 gr de montmorilonita bastarían para cubrir todo un campo de fútbol (para cubrir el campo se requiere 2 X 6 gr ya que áreas de ambas caras de las partículas de arcilla contribuyen a la superficie específica). 

Una partícula de suelo, en la naturaleza, atrae iones para neutralizar su carga neta. Estos iones atraídos, que se mantienen con un leve enlace sobre la superficie de la partícula y pueden ser fácilmente substituidos por otros, se denominan iones de cambio o iones intercambiables. La partícula de suelo con los iones de cambio es neutra.

Figura 5.2  Formula de la molécula o unidad de montmorilonita.

Fig. 5.3. Cálculo de la carga netiva neta.

Para ilustrar la carga neta de una partícula de suelo, consideremos un cristal de montmorilonita de aproximadamente 1000 A de lado y el espesor de una estructura básica tricapa. La Fig. 5.2 muestra la fórmula estructural de la montmorilonita. La carga neta negativa, de 1/3 de carga unitaria, aparece equilibrada por un átomo de sodio. Como convenio se representan los iones de cambio en las fórmulas estructurales por medio del sodio, aunque en las posiciones de cambio puede existir cualquier otro catión o una combinación de diversos cationes. El calcio es un catión de cambio muy común en los suelos.

La Fig. 5.3 muestra el cálculo del peso molecular de la montmorilonita. Este pesa, de 367 gr. y la carga negativa de 1/3 por molécula, pueden expresaise como miliequivalentes por 100 gr de arcilla, que se indican en forma abreviada por me/lOO gr. El cálculo de 91 me/100 gr como carga negativa teórica o capacidad de cambio ionico de la moritmorilonita. La capacidad de cambio medida en la montmorilonita es muy próxima al valor teórico de 91.

También se puede calcular teóricamente la superficie específica y la superficie por unidad de carga de un cristal de suelo. Las Figs. 5.4 y 5.5 presentan estos cálculos para una unidad de montmorilonita con 4 cationes de cambio en la capa de gibbsita. El valor calculado de 725 m2 /gr es próximo al valor experimental obtenido en la Fig. 4.11 de 800 m2/gr. (El valor de 800 m2 /gr se obtuvo en una prueba de laboratorio en la que se depositó sobre el mineral una capa monomolecular de adsorbente). El valor de la carga neta por unidad de superficie, expresada en 1/A^2 es la “densidad de carga” del mineral. El valor teórico de 139 obtenido en la Fig. 5.5 concuerda bastante bien con el valor medio (133) indicado en la Fig. 4.11.

Figura 5.4  Calculo de la Superficie Especifica.

Presiones Normales entre Partículas del Suelo.

Se examinara la interacción entre partículas de suelo adyacentes, es decir, las presiones que se desarrollan entre partículas de suelo y la forma en que estas presiones modifican la naturaleza del contacto entre partículas. En primer lugar se tratará el problema de los esfuerzos normales o presiones que actúan entre pequeñas partículas que no se encuentran en contacto.Luego se estudiarán los esfuerzos tangenciales y normales entre partículas en contacto.

De manera muy esquemática, los tipos de fuerzas que existen entre dns partículas de suelo adyacentes son (ver Fig. 5.1).

Fm = fuerza en el contacto partícula-partícula
Fa= fuerza en el contacto aire-partícula o aire-aire
Fw = fuerza en el contacto agua-partícula o agua-agua
R’ = repulsión eléctrica entre las partículas
A’ = atracción eléctrica entre las partículas.

Fig. 5.1. Fuerzas entre partículas, a) Partículas de suelo adyacentes. 1,) Fuerzas transmitidas a través de la superficie de lis partículas.