Geotecnia I

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A aquellos que tienen una fuerza

de voluntad descomunal.

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INTRODUCCIN

El trmino arcilla se usa habitualmente con diferentes significados:

Desde el punto de vista mineralgico, engloba a un grupo de minerales (minerales de la

arcilla), filosilicatos en su mayor parte, cuyas propiedades fsico-qumicas dependen de

su estructura y de su tamao de grano, muy fino (inferior a 2 mm).

Desde el punto de vista petrolgico la arcilla es una roca sedimentaria, en la mayor

parte de los casos de origen detrtico, con caractersticas bien definidas. Para un

sedimentlogo, arcilla es un trmino granulomtrico, que abarca los sedimentos con un

tamao de grano inferior a 2 mm.

Para un ceramista una arcilla es un material natural que cuando se mezcla con agua en

la cantidad adecuada se convierte en una pasta plstica. Desde el punto de vista

econmico las arcillas son un grupo de minerales industriales con diferentes

caractersticas mineralgicas y genticas y con distintas propiedades tecnolgicas y

aplicaciones.

Por tanto, el trmino arcilla no slo tiene connotaciones mineralgicas, sino tambin de

tamao de partcula, en este sentido se consideran arcillas todas las fracciones con un

tamao de grano inferior a 2 mm. Segn esto todos los filosilicatos pueden considerarse

verdaderas arcillas si se encuentran dentro de dicho rango de tamaos, incluso minerales no

pertenecientes al grupo de los filosilicatos (cuarzo, feldespatos, etc.) pueden ser

considerados partculas arcillosas cuando estn incluidos en un sedimento arcilloso y sus

tamaos no superan los 2 mm.

Las arcillas son constituyentes esenciales de gran parte de los suelos y sedimentos debido a

que son, en su mayor parte, productos finales de la meteorizacin de los silicatos que,

formados a mayores presiones y temperaturas, en el medio exgeno se hidrolizan.

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OBJETIVOS

Conocer las diferentes propiedades mecnicas de las diversas arcillas.

Instruirnos en lo que engloba el reconocimiento de dichas arcillas.

Estar al tanto de los problemas que causan las arcillas en la Ingeniera.

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DEFINICION DE LA ARCILLA

Segn su acepcin edafolgica es un producto natural originado a partir de la meteorizacin

de las rocas, cuyas partculas son generalmente de tamao inferior a 2 micrometros,

constituido principalmente por aluminosilicatos de origen secundario (minerales propios de

la arcilla).

ORIGEN

Una cuestin importante en la formacin del suelo es la gnesis de los minerales ms

caractersticos del mismo: las arcillas. En concreto, la formacin de los minerales de la

arcilla en este ambiente est ntimamente ligada a reacciones de hidrlisis de los minerales

silicatados de las rocas. Estas reacciones pueden desarrollarse en el medio hidrotermal

(durante la formacin de un depsito mineral), o como procesos exgenos (bajo

condiciones atmosfricas), una vez que las rocas por erosin se encuentran en la superficie

o su proximidad. El CO2 disuelto en el agua de lluvia o de los ros puede desencadenar una

serie de procesos hidrolticos:

CO2 + H2O H2CO3

El cido carbnico as formado reacciona con los feldespatos, induciendo la formacin de

minerales del grupo de la arcilla.

A continuacin ilustramos este tipo de reacciones con tres ejemplos que conducen a la

formacin de caolinita, Al2Si2O5(OH)4:1)

Hidrlisis de anortita (plagioclasa clcica):

CaAl2Si2O8 + 2 H2CO3 + H2O Ca2+ + 2 HCO3-+ Al2Si2O5(OH)42)

Hidrlisis de la albita (plagioclasa sdica):

2 NaAlSi3O8 + 2 H2CO3 + 9 H2O 2 Na+ + 2 HCO3-+ Al2Si2O5(OH)4 + 4 H2SiO43)

Hidrlisis de la ortoclasa (feldespato potsico):

2 KAlSi3O8 + 2 H2CO3 + 9 H2O 2 K+ + 2 HCO3-+ Al2Si2O5(OH)4 + 4 H2SiO4

Se considera que las arcillas pueden formarse entre ambientes mayores:

a) Ambiente de meteorizacin

b) Ambiente sedimentario

c) Ambiente diagentico hidrotermal

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El ambiente de meteorizacin incluye la gnesis de arcillas por procesos fsico-

qumicos, catalizados o no por agentes biolgicos.

El ambiente sedimentario se define como subacutico y generalmente marino.

El ambiente diagentico hidrotermal implica condiciones de soterramiento,

aumento de presin y temperatura, as como la eventual participacin de fluidos

supercrticos.

Los procesos de gnesis de arcillas en ambientes sedimentarios y diagentico hidrotermales

dan lugar a especies minerales que no podran formarse en el ambiente de meteorizacin.

Sin embargo, esas arcillas pueden heredarse a un suelo actual.

El clima, a travs de los parmetros de humedad y temperatura, controla fuertemente el

proceso formador de arcillas a partir de los silicatos. As, en condiciones de humedad y

calor la hidrlisis dar lugar a arcillas caolinticas, e incluso a un residuo final de gibsita,

Al(OH)3. Por el contrario, en climas ridos la arcilla predominante resulta ser del tipo

ILLITA - ESMECTITA.

Es posible que se presenten varias reacciones dependiendo de la intensidad de la

meteorizacin y la presencia de otros cationes como el Mg++. En la alteracin de la ortosa,

parte del cido silcico y el aluminio puede recombinarse y, en presencia de agua, formara

arcilla. La arcilla es el material slido resultante de la reaccin expuesta, mientras que el

cido silcico y el hidrxido de potasio estn en solucin y puede ser lavado, o parte del

potasio puede ser absorbido por la arcilla y posteriormente ser liberado. Las arcillas se

producen por la descomposicin de rocas silcicas, feldespatos de las rocas gneas, las

mismas que tienen xido de hierro, feldespato (sodio, potasio y calcio) y cuarzo, pueden

clasificarse de distintas maneras segn el aspecto que se tenga en cuenta: color, plasticidad,

fusibilidad, segn se encuentren en la naturaleza, la composicin qumica de las arcillas.

Arcilla pura (Al2O32SiO22H2O) (aluminio, silicio y agua) toda arcilla est compuesta por

un ncleo de H2O llamado de adsorcin y la capa exterior se la denomina de absorcin. Se

produce el fenmeno de la higroscopicidad a travs del cual las molculas de arcilla

absorben la humedad en el lugar que estn o en el medio en el que se encuentran. La arcilla

es una sustancia mineral terrosa compuesta en gran parte de hidrosilicato de almina que se

hace plstica cuando se humedece y dura.

En general son el producto del intemperismo (ataque qumico) sobre las rocas (feldespatos

y micas)

Ortosa CAOLINITAS, ILLITAS

Feldespatos y micas CAOLINITAS, ILLITAS, MOTMORILLONITAS

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COMPOSICIN DE LAS ARCILLAS

La arcilla es una roca de aspecto terroso constituida fundamentalmente por filosilicatos de

grano muy fino, con Q, feldespatos, carbonatos, oxihidroxidos de Fe Al y a veces materia

orgnica.

La composicin qumica de las arcillas: Arcilla pura (Al2O32SiO22H2O) (aluminio, silicio

y agua) Toda arcilla est compuesta por un ncleo de H2O llamado de adsorcin y la capa

exterior se la denomina de absorcin. Se produce el fenmeno de la higroscopicidad a

travs del cual las molculas de arcilla absorben la humedad en el lugar que estn o en el

medio en el que se encuentran.

Por lo tanto las arcillas estn compuestas por:

Silicatos de aluminio hidratados

Estos minerales se ordenan en forma de lminas:

Una silcica (unidad tetradrica)

Una alumnica (unidad octadrica)

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COMPORTAMIENTO DE LAS ARCILLAS

Forma laminar

Gran superficie especfica

Tienen significado las fuerzas electromagnticas desarrolladas en la superficie de los

compuestos minerales.

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CAPA DE AGUA ADSORBIDA

La capa de agua adsorbida est directamente

Relacionada con la plasticidad del suelo

TIPOS DE ARCILLA

Segn existen en la naturaleza podemos hablar de dos tipos de arcillas: las primarias

y las secundarias:

ARCILLAS PRIMARIAS O RESIDUALES. Son las formadas en el lugar de sus rocas

madres y no han sido por tanto transportadas por el agua, el viento o el glaciar. Estas

tienden a ser de grano grueso y relativamente no plsticas. Cuando han sido limpiadas de

fragmentos de roca, son relativamente puras, blancas y libres de contaminacin con

materiales arcillosos. La mayora de los caolines son arcillas primarias.

ARCILLAS SECUNDARIAS. Son las que han sido desplazadas del lugar de las rocas

madres originales. Aunque el agua es el agente ms corriente de transporte, el viento y los

glaciares pueden tambin transportar arcilla. stas son mucho ms corrientes que las

anteriores y tienen una constitucin ms compleja debido a que estn compuestas por

material procedente de distintas fuentes: hierro, cuarzo, mica, materias carbonosas y otras

impurezas.

CAOLN O ARCILLA DE CHINA. Este tipo de arcilla se encuentra ms corrientemente

en China que en cualquier otra parte, de ah su nombre. Son arcillas primarias (aunque

tambin existen caoln secundario) que se han formado por la meteorizacin in situ del

feldespato. Sus partculas son de gran tamao y por ello resulta menos plstico en

comparacin con otras arcillas. Estn corrientemente mezclado con fragmentos de roca de

feldespato y cuarzo por ello se hace necesario utilizar algn mtodo para su purificacin.

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Su composicin qumica se aproxima a la frmula del mineral caolinita. Se trata de una

arcilla altamente refractaria, con un punto de fusin por encima de los 1.800C.

En la prctica, raramente se utiliza el caoln en s mismo dado su alto grado de

refractariedad y su poca plasticidad, por ello se aaden a l otros materiales aunque se debe

decir que no todos los caolines son iguales en color, plasticidad En general su grado de

contraccin es bajo debido al grosor de sus granos y tiene poca resistencia en seco.

Segn la plasticidad podramos hablar teniendo en cuenta una de las propiedades de

la arcilla como es la plasticidad de dos tipos: las arcillas plsticas y las anti plsticas:

ARCILLAS PLSTICAS: hacen pasta con el agua y se convierten en modelables. Por

sus propiedades, se contraponen al caoln dado que poseen un mayor contenido en hierro,

son ms fusibles, ms plsticas y su grano es ms fino. Es por ello que se puede decir que

son complementarias y a menudo se combinan para crear una arcilla ms trabajable. Se

trata de una arcilla secundaria, mezclada a menudo capas de carbn y otros tipos de arcilla.

Es altamente plstica y aunque no es tan pura como el caoln est relativamente libre de

hierro y otras impurezas, cocindose a un color gris claro o anteado claro debido a la

presencia de material carbonoso.

stas poseen un elevado grado de contraccin, que puede llegar hasta a un 20%. En la

fabricacin de cermica blanca, este tipo de arcilla se hace indispensable para aumentar la

falta de plasticidad del caoln, aunque no puede aadirse ms del 15% puesto que se

traducira en un color gris o anteado, disminuyendo as su traslucidez.

ARCILLAS ANTIPLSTICAS. Confieren a la pasta una determinada estructura, que

pueden ser qumicamente inertes en la masa o crear una vitrificacin en altas temperaturas

(fundentes).

ARCILLAS REFRACTARIAS Esta arcilla no es un tipo propiamente dicho dado que se

refiere a la resistencia al calor de las arcillas en general independientemente del color,

plasticidad Cualquier arcilla que resista la fusin hasta alrededor de los 1.500C puede

considerarse como una arcilla refractaria, lo que significa que es relativamente pura y libre

de hierro. Estas arcillas son tiles para gran variedad de productos, principalmente en la

fabricacin de ladrillos refractarios y otras piezas para hornos, estufas, calderas Tambin

son utilizadas como aditivos para las pastas de loza o las pastas para gacetas en los que se

quiera aumentar la refractariedad.

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ESTRUCTURAS DE LAS ARCILLAS

Es el arreglo de estructuras primarias del suelo (arena, arcilla y limo) formando agregados,

partculas sedimentarias o unidades estructurales.

Los que afectan a la estructura de las arcillas son:

Cantidad de coloides o cementantes.

Estado de coloides: (floculados) potencial inico de cationes del complejo.

Actividad biolgica.

Humedecimiento y secado (expansin y contraccin)

Caracterizacin morfolgica de la estructura:

Caracterizacin segn tipo (forma)

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PROPIEDADES MECNICAS DE LAS ARCILLAS

CAPACIDAD DE ABSORCIN

Cuando se trata fundamentalmente de procesos fsicos como la retencin por capilaridad

Algunas arcillas pueden absorber agua u otras molculas

Ejemplo:

Esmectitas

Sepiolita y paligorskita

HIDRATACIN E HINCHAMIENTO

La absorcin de agua (hidratacin) en el espacio inter-laminar tiene como consecuencia la

separacin de las lminas dando lugar al hinchamiento.

Ejemplo:

Esmectitas

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PLASTICIDAD

Las arcillas son eminentemente plsticas.

Generalmente, esta plasticidad puede ser cuantificada mediante la determinacin de los

ndices de Atterberg (Lmite Lquido, Lmite Plstico y Lmite de Retraccin).

Existe una gran variacin entre los lmites de Atterberg de diferentes minerales de la arcilla,

e incluso para un mismo mineral arcilloso, en funcin del catin de cambio.

En general, cuanto ms pequeas son las partculas y ms imperfecta su estructura, ms

plstico es el material.

TIXOTROPA

La tixotropa se define como el fenmeno consistente en la prdida de resistencia de un

coloide, al amasarlo, y su posterior recuperacin con el tiempo.

Las arcillas tixotrpicas cuando son amasadas se convierten en un verdadero lquido.

MERMA

Debido a la evaporacin del agua contenida en la pasta se produce un encogimiento o

merma durante el secado.

REFRACTARIEDAD

Todas las arcillas son refractarias, es decir resisten los aumentos de temperatura sin sufrir

variaciones, aunque cada tipo de arcilla tiene una temperatura de ebullicin.

POROSIDAD

El grado de porosidad vara segn el tipo de arcilla. Esta depende de la consistencia ms o

menos compacta que adopta el cuerpo cermico despus de la ebullicin. Las arcillas que

calientan a baja temperatura tienen un ndice ms elevado de absorcin puesto que son ms

porosas.

COLOR

Las arcillas presentan coloraciones diversas despus de la coccin debido a la presencia en

ellas de xido de hierro, carbonato clcico.

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Porosidad de la arcilla

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CAOLINITA

Se le reconoce por presentar un color normalmente blanco aunque a veces presenta tonos

azulados, amarillentos, es blando de tacto untuoso y se encuentra en masas terrosas sueltas

o compactas formando finsimas escamas o laminillas.

Se halla en rocas que contienen feldespatos y moscovita (granito, granodiorita, adamellita),

como producto de la alteracin. Tambin en sedimentos a partir de la erosin de rocas

cidas caolinitizadas.

Yacimiento de Caolinita

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MONTMORILLONITA

Se le reconoce por su color gris-blanco, amarillo, marrn, rosa, azuloso y se presenta en

masas terrosas, agregados foliares y granulares.

Es soluble en cidos y se expande al contacto con agua. Para cimentacin de construcciones

es uno de los terrenos en los que se deben tomar ms precauciones debido a su carcter

expansivo.

BENTONITA

Es una arcilla muy pegajosa con un alto grado de encogimiento y tiene tendencia a

fracturarse durante el enfriado. La sdica se hincha cuando toma agua.

ILLITA

Es una arcilla no expansiva, miccea. Debido a su pequeo tamao, la identificacin certera

usualmente requiere anlisis de difraccin de rayos X.

La illita es un producto de la alteracin o meteorizacin de muscovita y feldespato en

ambiente de meteorizacin hdrica y trmica. Es comn en sedimentos, suelos, rocas

arcillosas sedimentarias, y en roca metamrfica. Se diferencia de la glauconita en

sedimentos por anlisis de rayos x.

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PROBLEMAS EN LA INGENIERA

En perforaciones diamantinas

Impide la recuperacin al 100% de los testigos,

En zonas de fallas tiende a amarrar las tuberas

Prdida de tiempo.

Prdida de materiales (tuberas y otros).

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En labores de exploracin, desarrollo y explotacin

Es dificultoso poder atravesar la zona.

Prdida de tiempo

En zonas de falla, es necesario el armado de buenos cuadros (bien topeados,

encostillados, enrejados, encribados) y sus marchavantes, y si es necesario se arma

castillos.

Causa diversos accidentes (soterramiento de personal, camionetas, etc).

Prdida o deterioro de materiales (tuberas, barrenos, mquina, percheros, maderas,

cimbras, etc).

Genera deslizamiento en los tajos abiertos (ejemplo: tajo Ral Rojas).

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En carreteras

Inestabiliza taludes, provocando debilitamiento de los muros de contencin de las

carreteras.

Provoca derrumbes (huaycos), causando paralizacin en el trnsito (ejemplo en la

selva).

Fracturamiento de vas asfaltadas, debido a la expansin de las arcillas.

En construcciones

Los suelos arcillosos pueden inclinar edificios y diversas construcciones hechas.

Inestabiliza presas, PAD de lixiviacin, canchas de relave, canchas de desmonte,

etc.

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COMPACTACIN DE LAS ARCILLAS

Es el proceso de reduccin de volumen de poros, cuando el suelo se compacta aumenta

densidad aproximada, el espacio perdido es macro-porosidad.

CONSISTENCIA DE LAS ARCILLAS

Manifestacin de esfuerzos:

ADHESIN; atraccin de la fase liquida sobre la superficie de la fase solida

COHESIN; atraccin entre molculas de agua.

COHERENCIA; cohesin entre partculas solidas

Forma de consistencia:

PEGAJOSO; se manifiesta por adherencia y pegajosidad a otros objetos.

PLSTICA; Manifestada por la elasticidad y capacidad de ser moldeada

BLANDA O SUAVE; caracterizada por la friabilidad

DURA O RGIDA

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OTRAS CLASES DE ARCILLAS

LA TIERRA PARA ADOBES. Se trata de una arcilla superficial adecuada para hacer

adobes o ladrillos secados al sol. Casi no tiene plasticidad y contiene un alto porcentaje de

arena.

ARCILLA APEDERNALADA. Es una arcilla refractaria que ha sido compactada en una

masa relativamente dura, densa, parecida a la roca.

ARCILLA PARA TERRACOTA. Arcilla de coccin a bajo fuego que puede utilizarse en

la fabricacin de grandes piezas de terracota. Tiene un grano grueso que permite un secado

rpido y uniforme.

LA BAUXITA O DIASPORA. Poseen un alto contenido en almina. Pueden ser

altamente refractarias y se usan como materia prima para la produccin de aluminio

metlico.

EL GUMBO. Es una arcilla superficial o del suelo, muy plstica y pegajosa que contiene

una cantidad considerable de materia orgnica.

LA GREDA. Arcilla de quema blanca y poca plasticidad. En el comercio se encuentra en

forma de polvo o grumos que una vez se haya sedimentado se emplean como engobes sobre

cacharros de barro.

OCRE, UMBRA Y SIENA: Arcillas con gran contenido de combinaciones frreas y de

manganeso que puede variar por ello es aconsejable efectuar ensayos previamente. Se

pueden emplear para colorear algunos tipos de vidrio.

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IMPORTANCIA DE LA ARCILLA

La arcilla es un constituyente fundamental que cuantifica la mayora de las propiedades

qumicas, fsicas o biolgicas de los suelos.

El papel que la arcilla juega sobre las propiedades biolgicas y bioqumicas determina

una serie de efectos, tales como la formacin de complejos rgano arcilloso y la

regulacin del habitad de los microorganismos de los suelos.

Los minerales arcillosos son de gran importancia para los suelos. Ellos por ejemplo son

capaces de incorporar y nutrir el suelo con iones como el calcio, potasio o magnesio.

Su capacidad de intercambio permite que en el suelo crezcan plantas una y otra vez,

por su potencial de intercambio de nutrientes y por el contrario contaminante.

Son constituyentes esenciales de gran parte del suelo y sedimentos debido a que son en

su mayor parte productos finales de la formacin de los silicatos que, formado a

mayores presiones y temperaturas, en el medio exgenos se hidrolizan.

APLICACIONES INDUSTRIALES

Desde el punto de vista industrial, la mayor parte de las aplicaciones no requieren

especificaciones estrictas en cuanto a composicin qumica (composicin de las capas

tetradrica y octadrica). Sin embargo, en el caso de las bentonitas si tiene importancia el

quimismo del espacio inter laminar y sus propiedades fsico - qumicas.

ARCILLAS COMUNES

El principal uso de estos materiales arcillosos se da en el campo de la cermica de

construccin (tejas, ladrillos, tubos, baldosas, etc), alfarera tradicional, lozas.

Uso al que se destinan desde los comienzos de la humanidad prcticamente todas las

arcillas son aptas para estos usos, primando las consideraciones econmicas.

Son as mismo son utilizadas en la manufactura de cementos, como fuente de almina y

slice, y en la produccin de ridos ligeros (arcillas expandidas).

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CAOLIN

Se trata de un mineral muy importante desde el punto de vista industrial. Ha sido utilizando

desde tiempos antiguos para numerosos usos. Los principales usos a los que se destina en la

actualidad son:

Fabricacin de papel

Cermica y refractarios

Otros usos (como carga ms econmica sustituyendo a las resinas en pinturas,

aislantes, caucho)

BENTONITAS

Los usos en el campo de Ingeniera Civil se pueden resumir en:

Creacin de membranas impermeables en torno a barreras en el suelo, o como soporte

de excavaciones.

Prevencin de hundimientos. En las obras, se puede evitar el desplome de paredes

lubricndolas con lechadas de bentonita.

Proteccin de tuberas: como lubricante y rellenando grietas.

En cementos: aumenta su capacidad de ser trabajado y su plasticidad.

En tneles: Ayuda a la estabilizacin y soporte en la construccin de tneles. Acta

como lubricante (un 3-5 % de lodo de bentonita sdica mantenida a determinada

presin soporta el frente del tnel). Tambin es posible el transporte de los materiales

excavados en el seno de fluidos bentonticos por arrastre.

En tomas de tierra: Proporciona seguridad en el caso de rotura de cables enterrados.

Transporte de slidos en suspensin.

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CONCLUSIONES

Los minerales arcillosos son de gran importancia para los suelos. Ellos por

ejemplo son capaces de incorporar y nutrir el suelo con iones como el calcio,

potasio o magnesio. Su capacidad de intercambio permite que en el suelo

crezcan plantas una y otra vez, por su potencial de intercambio de nutrientes y

por el contrario contaminante

El grado de porosidad de la arcilla depende de la consistencia ms o menos

compacta que adopta el cuerpo cermico despus de la ebullicin.

La arcilla es una roca de aspecto terrosa constituido fundamentalmente por

filosilicatos de grano muy fino.

Existen otras clases de arcillas muy importantes como por ejemplo la Bauxita o

Diaspora por que poseen un alto contenido en almina, pueden ser altamente

refractarios y se usan como materia prima para la produccin de aluminio

metlico.

En construccin los suelos arcillosos pueden inclinar edificios y diversas

construcciones hechas.

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RECOMENDACIONES

En zonas de falla, es necesario el armado de buenos cuadros (bien topeados,

encostillados, enrejados, encribados) y sus marchavantes, y si es necesario

armar castillos.

Monitorear los deslizamientos en los tajos abiertos y carreteras, analizar sus

causas, investigar sus comportamientos, para poder evitarlos.

Realizar estudios de Mecnica de Rocas y Suelos por aquella zona por la cual va

a pasar la carretera, reemplazando (si lo hay), los materiales arcillosos; entonces

de esta manera evitaremos el abombamiento de las carreteras asfaltadas.

Para cimentacin de construcciones, los terrenos de montmorillonita es uno de

los suelos en los que se deben tomar ms precauciones debido a su carcter

expansivo.

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BIBLIOGRAFA

Exposiciones de Empresas Mineras (Power Point).

Diccionario geolgico Jorge Dvila Burga.

WWW.GOOGLE.COM/ARCILLAS

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INDICE

INTRODUCCIN

OBJETIVOS

DEFINICION DE LA ARCILLA.4

ORIGEN4

COMPOSICION DE LAS ARCILLAS6

TIPOS DE ARCILLA...9

SEGN LA PLASTICIDAD...10

ESTRUCTURAS DE LAS ARCILLAS..11

PROPIEDADES MECNICAS DE LAS ARCILLAS...13

PROBLEMAS EN LA INGENIERA.18

COMPACTACIN DE LAS ARCILLAS..21

IMPORTANCIA DE LA ARCILLA...23

APLICACIONES INDUSTRIALES...23

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFA