Arcilla

La arcilla es un tipo de material de suelo natural de grano fino que contiene minerales de arcilla ^{[ 1 ]} (filosilicatos de aluminio hidratados, por ejemplo, caolinita , Al ₂ Si ₂ O ₅ ( OH ) ₄ ). La mayoría de los minerales de arcilla puros son blancos o de color claro, pero las arcillas naturales muestran una variedad de colores debido a impurezas, como un color rojizo o parduzco por pequeñas cantidades de óxido de hierro . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Las arcillas desarrollan plasticidad cuando están húmedas, pero pueden endurecerse mediante cocción . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} La arcilla es la materia prima cerámica más antigua conocida . 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 en torno al 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 la filtración química . Entre la mitad y dos tercios de la población mundial viven o trabajan en edificios hechos con arcilla, a menudo cocida en ladrillo, como parte esencial de su estructura portante. En la agricultura, el contenido de arcilla es un factor importante para determinar la cultivabilidad de la tierra . Los suelos arcillosos son generalmente menos adecuados para los cultivos debido a un drenaje natural deficiente; sin embargo, los suelos arcillosos son más fértiles, debido a una mayor capacidad de intercambio catiónico . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

La arcilla es una sustancia muy común. La lutita , formada principalmente a partir de arcilla, es la roca sedimentaria más común. ^{[ 11 ]} Aunque 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 partícula mayores que las arcillas. Las mezclas de arena , limo y menos del 40 % de arcilla se denominan marga . Los suelos con alto contenido de arcillas expansivas ( arcillas hinchables ), que son minerales arcillosos que se expanden fácilmente en volumen cuando absorben agua, representan un gran desafío en la ingeniería civil . ^{[ 1 ]}

La propiedad mecánica que define la arcilla es su plasticidad cuando está húmeda y su capacidad de endurecerse al secarse o cocerse. 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 moldeada está lo suficientemente seca como para mantener su forma. ^{[ 12 ]} El límite plástico de la arcilla de caolinita oscila entre aproximadamente el 36 % y el 40 %, y su límite líquido oscila entre aproximadamente el 58 % y el 72 %. ^{[ 13 ]} La arcilla de alta calidad también es tenaz, medida por la cantidad de trabajo mecánico necesario para aplanar una muestra de arcilla. Su tenacidad refleja un alto grado de cohesión interna. ^{[ 12 ]}

La arcilla tiene un alto contenido de minerales arcillosos que le confieren plasticidad. Estos minerales son filosilicatos de aluminio hidratados , compuestos por iones de aluminio y silicio unidos en diminutas láminas delgadas mediante la interconexión de iones de oxígeno e hidróxido . Estas láminas son resistentes pero flexibles, y en la arcilla húmeda se adhieren entre sí. Los agregados resultantes le otorgan a la arcilla la cohesión que la hace plástica. ^{[ 14 ]} En la arcilla de caolinita , la unión entre las láminas se produce mediante una película de moléculas de agua que las unen mediante enlaces de hidrógeno . Estos enlaces son lo suficientemente débiles como para permitir que las láminas se deslicen entre sí al moldear la arcilla, pero lo suficientemente fuertes como para mantenerlas en su lugar y permitir que la arcilla moldeada conserve su forma. Al secarse la arcilla, se elimina la mayor parte de las moléculas de agua y las láminas forman enlaces de hidrógeno directos entre sí, lo que hace que la arcilla seca sea rígida pero aún frágil. Si se humedece la arcilla 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 provoca que las placas de arcilla se adhieran irreversiblemente entre sí mediante enlaces covalentes más fuertes , fortaleciendo así el material. El mineral de arcilla caolinita se transforma en un material no arcilloso, el metacaolín , que permanece rígido y duro si se humedece de nuevo. Una cocción posterior a través de las etapas de gres y porcelana recristaliza aún más el metacaolín en minerales aún más resistentes, como la mullita . ^{[ 6 ]}

El diminuto tamaño y la forma laminar de las partículas de arcilla confieren a los minerales arcillosos una gran superficie. En algunos minerales arcillosos, las láminas poseen 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 posiciones con los cationes de la capa que rodea las partículas de arcilla, lo que confiere a las arcillas una alta capacidad de intercambio iónico . ^{[ 14 ]} 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. ^{[ 15 ]}

La arcilla es un componente común de las rocas sedimentarias . La lutita se forma principalmente a partir de arcilla y es la más común de las rocas sedimentarias. ^{[ 11 ]} 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 en tamaño y mineralogía. Los limos, que son suelos de grano fino que no incluyen minerales de arcilla, tienden a tener tamaños de partícula mayores que las arcillas. Sin embargo, existe cierta superposición en el tamaño de partícula 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 de tamaño de arcilla y los minerales de arcilla no son lo mismo, a pesar de cierto grado de superposición en sus definiciones respectivas. Los ingenieros geotécnicos distinguen entre limos y arcillas según las propiedades de plasticidad del suelo, medidas mediante los límites de Atterberg . La norma ISO 14688 clasifica las partículas de arcilla como menores de 2 μm y las 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 arcillas expansivas, debido a su gran capacidad para absorber agua, lo que provoca un aumento considerable de su volumen. Al secarse, se contraen hasta recuperar su volumen original. Esto genera texturas características, como grietas de barro o textura de "palomitas de maíz", en los depósitos arcillosos. Los suelos que contienen arcillas expansivas (como la bentonita ) representan un desafío considerable para la ingeniería civil, ya que pueden dañar los cimientos de los edificios y arruinar la calzada. ^{[ 1 ]}

Los minerales arcillosos se forman con mayor frecuencia por meteorización química prolongada de rocas que contienen silicatos. También pueden formarse localmente a partir de actividad hidrotermal . ^{[ 16 ]} La meteorización 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 (en forma de gel de ácido ortosilícico ). ^{[ 17 ]}

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. ^{[ 18 ]}

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 su formación. Las arcillas secundarias son aquellas que han sido transportadas desde su ubicación original por la erosión hídrica y depositadas en un nuevo depósito sedimentario . ^{[ 19 ]} Los depósitos de arcilla secundaria suelen estar asociados a ambientes de deposición de muy baja energía , como grandes lagos y cuencas marinas. ^{[ 16 ]}

Los principales grupos de arcillas incluyen caolinita , montmorillonita - esmectita e illita . La clorita , la vermiculita , ^{[ 20 ]} el talco y la pirofilita ^{[ 21 ]} también se clasifican a veces 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. ^{[ 22 ]} Los minerales arcillosos en las arcillas se identifican más fácilmente mediante difracción de rayos X que mediante pruebas químicas o físicas. ^{[ 23 ]}

La varva (o arcilla varvada ) es una arcilla con capas anuales visibles que se forman por la deposición estacional de dichas capas y se caracterizan por diferencias en la erosión y el contenido orgánico. Este tipo de depósito es común en antiguos lagos glaciares . Cuando los sedimentos finos llegan a las aguas tranquilas de estas cuencas lacustres glaciares, lejos de la orilla, se depositan en el lecho del lago. La estratificación estacional resultante se conserva en una distribución uniforme de bandas de sedimentos arcillosos. ^{[ 16 ]}

La arcilla rápida es un tipo único de arcilla marina originaria de los terrenos glaciares de Noruega, América del Norte, Irlanda del Norte y Suecia. ^{[ 24 ]} Es una arcilla muy sensible, propensa a la licuefacción , y ha estado involucrada en varios deslizamientos de tierra mortales . ^{[ 25 ]}

La arcilla para 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 útiles propiedades de la arcilla. Algunos de los fragmentos de cerámica más antiguos recuperados provienen del centro de Honshu , Japón . Están asociados con la cultura Jōmon , y los depósitos recuperados se han datado en alrededor del 14.000  a. C. ^{[ 7 ]} Ollas de cocina, objetos de arte, vajilla, pipas para fumar e incluso instrumentos musicales como la ocarina pueden moldearse con 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. ^{[ 26 ]} Los escribas escribían en las tablillas inscribiéndolas con una escritura conocida como cuneiforme , utilizando una caña roma llamada estilete , que producía eficazmente las marcas en forma de cuña de su escritura. Después de escribir en ellas, las tablillas de arcilla podían reelaborarse para crear nuevas tablillas y reutilizarse si era necesario, o cocerse para convertirlas en registros permanentes. Hoy en día, la arcilla se añade como relleno al grafito , en la mina de lápiz, para cambiar la dureza y el color del lápiz . Se usaban bolas de arcilla hechas específicamente para ello como munición de honda . ^{[ 27 ]} La arcilla se utiliza en muchos procesos industriales, como la fabricación de papel , la producción de cemento y el filtrado químico . ^{[ 28 ]} La arcilla bentonita se utiliza ampliamente como aglutinante de moldes en la fabricación de piezas fundidas en arena . ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Construcción

La arcilla, como ingrediente definitorio del lodo, es uno de los materiales de construcción más antiguos de la Tierra , junto con otros materiales geológicos antiguos y naturales como la piedra y materiales orgánicos como la madera. ^{[ 34 ]} Entre la mitad y dos tercios de la población mundial, tanto en sociedades tradicionales como en países desarrollados, aún viven o trabajan en edificios hechos con arcilla, a menudo cocida en ladrillo, como parte esencial de su estructura portante. También 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 entramado de ramas y barro , yeso de arcilla, revestimiento de arcilla, pisos de arcilla y pinturas de arcilla y material de construcción cerámico . La arcilla se utilizaba como mortero en chimeneas de ladrillo y muros de piedra donde estaban protegidos 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 la filtración tóxica (revestimiento del vertedero, preferiblemente en combinación con geotextiles ). ^{[ 35 ]} Estudios de principios del siglo XXI han investigado las capacidades de absorción de la arcilla en diversas aplicaciones, como la eliminación de metales pesados ​​de aguas residuales y la purificación del aire. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

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