Catalogo Propiedades Fisicoqcas Mineralogicas Arcillas Utilizadas Ceramicas Rojas Bogota Medellin

CATLOGO DE PROPIEDADES FSICAS, QUMICAS Y MINERALGICAS DE LAS ARCILLAS PARA CERMICA

ROJA EN LOS CENTROS URBANOS DE MEDELLN, IBAGU Y SABANA DE BOGOT,

Por:

Carlos Julio Espitia

Javier Quintero Antonio Rodriguez

Flor Ins Bernal Freddy Romero

Jaime Mojica Hernn Cabezas

Marcela Hernndez Marcela Pachn

Mara Helena Mnera Jairo Ramirez

Jefe de proyecto Luz Mery Duitama

Bogot D. C., enero de 2003

Repblica de Colombia MINISTERIO DE MINAS Y ENERGA

INSTITUTO COLOMBIANO DE GEOLOGA Y MINERA

REPBLICA DE COLOMBIA MINISTERIO DE MINAS Y ENERGA

INSTITUTO COLOMBIANO DE GEOLOGA Y MINERA INGEOMINAS

CATLOGO DE PROPIEDADES FSICAS, QUMICAS Y MINERALGICAS DE LAS ARCILLAS PARA CERMICA

ROJA EN LOS CENTROS URBANOS DE MEDELLN, IBAGU Y SABANA DE BOGOT,

Por:

Carlos Julio Espitia

Javier Quintero Antonio Rodriguez

Flor Ins Bernal Freddy Romero Jaime Mojica

Hernn Cabezas Marcela Hernndez

Marcela Pachn Mara Helena Mnera

Jairo Ramirez

Bogot, marzo de 2003


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CATLOGO DE PROPIEDADES FSICAS, QUMICAS YMINERALGICAS DE LAS ARCILLAS PARA CERMICA ROJA EN LOS CENTROS URBANOS DE MEDELLN, IBAGU Y SABANA DE BOGOT, 2

CONTENIDO

1. INTRODUCCIN...................................................................................................................................... 14 2. FUNDAMENTOS PARA LA CARACTERIZACIN DE ARCILLAS PARA LA INDUSTRIA DE CERMICA ROJA........................................................................................................................................ 16 2.1 CARACTERIZACIN GEOLGICA .................................................................................................... 16 2.1.1 Localizacin y extensin ....................................................................................................................... 16 2.1.1.1 Fisiografa........................................................................................................................................... 16 2.1.1.2 Ambientes de sedimentacin. Facies.................................................................................................. 17 2.1.2 Relaciones geolgicas ........................................................................................................................... 17 2.1.2.1 Petrogrficas....................................................................................................................................... 17 2.1.2.2 Estratigrficas ..................................................................................................................................... 18 Relaciones estructurales ................................................................................................................................. 18 Muestreo......................................................................................................................................................... 18 COMPOSICIN MINERALGICA............................................................................................................. 19 Minerales arcillosos ....................................................................................................................................... 19 Filosilicatos bilaminares................................................................................................................................. 19 Filosilicatos trilaminares ................................................................................................................................ 21 2.2.1.3 Cloritas ............................................................................................................................................... 23 2.2.2 Otros minerales...................................................................................................................................... 24 2.2.3 Importancia del anlisis mineralgico ................................................................................................... 27 2.3 ANLISIS QUMICOS ........................................................................................................................... 28 2.3.1 Preparacin de las muestras para anlisis en laboratorio ..................................................................... 28 Lectura de los elementos por absorcin atmica ............................................................................................ 30 2.3.3 Validacin de tcnicas analticas ........................................................................................................... 30 2.3.4 Otros anlisis qumicos.......................................................................................................................... 32 Anlisis prximo mineralgico ...................................................................................................................... 32 CARACTERIZACIN FSICA Y TECNOLGICA.................................................................................... 34


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Color en crudo y en quema............................................................................................................................ 34 Tamao de partcula ....................................................................................................................................... 36 Plasticidad ...................................................................................................................................................... 39 2.4.4 Densidad y gravedad especfica ............................................................................................................ 41 2.4.5 Contracciones en en crudo y en quema ................................................................................................. 42 2.5 Otras determinaciones .............................................................................................................................. 43 3. RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIN DE ARCILLAS PARA CERMICA ROJA EN MEDELLN, IBAGU Y SABANA DE BOGOT. ........................................................................... 44 3.1 CARACTERIZACIN DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN EL REA DE MEDELLIN ....... 51 3.1.1 Vas de comunicacin............................................................................................................................ 5 3.1.2 Climatologa .......................................................................................................................................... 54 3.1.3 Pluviometra .......................................................................................................................................... 55 3.1.4 Drenaje .................................................................................................................................................. 55 3.1.5 Relieve................................................................................................................................................... 56 3.1.6 Meteorizacin........................................................................................................................................ 57 3.1.7 Geomorfologa....................................................................................................................................... 62 3.1.8 Relaciones geolgicas ........................................................................................................................... 64 3.1.8.1 Estratigrafa ....................................................................................................................................... 64 3.1.8.2 Geologa estructural............................................................................................................................ 68 3.1.9 Ambientes de formacin....................................................................................................................... 69 3.1.10 Composicin qumica.......................................................................................................................... 70 3.1.11 Composicin mineralgica .................................................................................................................. 72 3.1.12 Caracterizacin fsica .......................................................................................................................... 78 3.2 CARACTERIZACIN DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN EL REA DE IBAGU ............ 85 3.2.1 Vas de comunicacin............................................................................................................................ 87 3.2.2 Climatologa .......................................................................................................................................... 89 3.2.3 Pluviometra .......................................................................................................................................... 89


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3.2.4 Termometra ......................................................................................................................................... 90 3.2.5 Drenaje .................................................................................................................................................. 91 3.2.6 Relieve................................................................................................................................................... 92 3.2.7 Vegetacin............................................................................................................................................. 93 3.2.8 Meteorizacin........................................................................................................................................ 93 3.2.9 Geomorfologia....................................................................................................................................... 94 3.2.10 Relaciones geolgicas ......................................................................................................................... 96 3.2.10.1 Batolito de Ibagu............................................................................................................................. 97 3.2.10.2 Formacin Seca (KPgs) .................................................................................................................... 100 3.2.10.3 Grupo Gualanday (Pgg).................................................................................................................... 101 3.2.10.4 Conos aluviales cuaternarios (Qca) .................................................................................................. 103 3.2.11 Geologa estructural............................................................................................................................. 104 Falla de Ibagu ............................................................................................................................................... 104 Falla de Buenos Aires..................................................................................................................................... 104 3.2.12 Caracterizacin qumica ...................................................................................................................... 105 3.2.13 Composicin mineralgica .................................................................................................................. 106 3.2.14 Caracterizacin fsica ......................................................................................................................... 109 3.3 CARACTERIZACIN DE LA ZONA DE LA SABANA DE BOGOT .............................................. 114 3.3.1 Vas de comunicacin............................................................................................................................ 114 3.3.2 Fisiografa.............................................................................................................................................. 118 3.3.3 Climatologa .......................................................................................................................................... 118 3.3.4 Relieve................................................................................................................................................... 123 3.3.4.1 Yacimientos de Cogua y Nemocn .................................................................................................... 123 3.3.4.2 Yacimientos de Soacha....................................................................................................................... 123 3.3.4.3 Yacimientos de Bogot: Usme, San Cristbal y Mochuelo................................................................ 123 3.3.5 Vegetacin............................................................................................................................................. 124 3.3.6 Drenaje .................................................................................................................................................. 125


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3.3.7 Geomorfologa....................................................................................................................................... 126 3.3.8 Meterorizacin....................................................................................................................................... 130 3.3.9 Relaciones geolgicas ........................................................................................................................... 133 3.3.9.1 Formacin Guaduas............................................................................................................................ 134 3.3.9.2 Formacin Bogot .............................................................................................................................. 136 3.3.9.3 Formacin Sabana .............................................................................................................................. 137 3.3. 10 Geologa estructural de la Sabana de Bogot ..................................................................................... 139 3.3.10.1 Bloque al norte de la Falla de Usaqun ............................................................................................ 139 3.3.10.2 Bloque al sur de la Falla de San Cristbal ........................................................................................ 140 3.3.10.3 Bloque Central.................................................................................................................................. 140 3.3.11 Composicin qumica.......................................................................................................................... 141 3.3.12 Composicin mineralgica .................................................................................................................. 143 3.3.13 Caracterizacin fsica .......................................................................................................................... 149 4. DISCUSIN DE RESULTADOS.............................................................................................................. 157 4.1 ZONA DE MEDELLIN ........................................................................................................................... 157 4.1.1 Composicin qumica de las formaciones arcillosas ............................................................................. 158 4.1.2 Anlisis prximo mineralgico de las formaciones arcillosas............................................................... 159 4.1.3 Aptitud cermica de las formaciones arcillosas..................................................................................... 161 4.2 ZONA DE IBAGU................................................................................................................................. 170 4.2.1 Composicin qumica de las formaciones arcillosas ............................................................................. 170 4.2.2 Anlisis prximo mineralgico de las formaciones arcillosas............................................................... 171 4.2.3 Aptitud cermica de las formaciones arcillosas..................................................................................... 174 4.3 ZONA DE LA SABANA DE BOGOT ................................................................................................. 181 4.3.1 Composicin qumica de las formaciones arcillosas ............................................................................. 181 4.3.2 Anlisis prximo mineralgico de las formaciones arcillosas............................................................... 182 4.3.3 Aptitud cermica de las formaciones arcillosas..................................................................................... 185 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................................................... 194


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6. BIBLIOGRAFA........................................................................................................................................ 196 7. GLOSARIO DE TRMINOS .................................................................................................................... 200


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FIGURAS 1. Estructura elemental de la caolinita ............................................................................................ 20 2. Estructura elemental de la montmorillonita ................................................................................ 21 3. Estructura elemental de la illita ................................................................................................... 22 4. Arreglos cristalinos del cuarzo.................................................................................................... 24 5. Esquema seguido en el laboratorio para la preparacin de las muestras..................................... 29 6. Esquema metodologico seguido para hacer la validacin de un mtodos analtico.................... 31 7. Carta del Catlogo de Munsell .................................................................................................... 36 8. Diagrama de aptitudes................................................................................................................. 37 9. Diagrama de Casagrande............................................................................................................. 41 10. Tratamiento estadstico de los datos para determinar los lmites de deteccin y de sensibilidad......................................................................................................................................................... 45 11. Esquema metodolgico seguido para realizar las pruebas con el fin de determinar la precisin y exactitud de los mtodos analticos utilizados. ............................................................................... 50 12. Localizacin de los sitios de muestreo en Medelln.................................................................. 52 13. Meteorizacin fsica y qumica de rocas sedimentarias, arcillolitas, en el rea de Amag....... 58 14. Meteorizacin de rocas gneas en el rea de Medelln .............................................................. 58 15. Meteorizacin fsica de rocas sedimentarias, areniscas, en el rea de Amag.......................... 59 16. Meteorizacin fsica de rocas gneas, en el rea de Medelln ................................................... 59 17. Meteorizacin qumica de rocas gneas en el rea Medelln..................................................... 60 18. Geoformas relacionadas con suelos residuales en un sistema de colinas, geoformas ubicadas en el occidente de Medelln ................................................................................................................. 63 19. Sistema colinado con laderas denudacionales o erosionables con drenaje subparalelo de baja densidad........................................................................................................................................... 63 20. Valle aluvial correspondiente al valle del Ro Medelln ........................................................... 64 21. Unidades geolgicas analizadas en la zona de Medelln y alrededores .................................... 65


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22. Intercalacin de areniscas blancas-amarillas con pequeos niveles de carbn y arcillolitas grises-amarillentas correspondientes la Formacin Amag. Municipio de Amag ........................ 66 23. Areniscas de la Formacin Amag. Municipio de Amag. Vereda Minas ............................... 67 24. Arcillolitas grises (inalteradas) y amarillas (alteradas) de la Formacin Amag. Municipio de Amag. Vereda Minas..................................................................................................................... 67 25. Probetas obtenidas por coccin a 1.0000C en la zona de Medelln y sus alrededores............... 85 26. Localizacin geogrfica de la zona estudiada Departamento del Tolima ................................. 86 27. Localizacin de las estaciones de muestreo de la zona de Ibagu ............................................ 87 28. Distribucin estacional de la precipitacin. Porcentaje del total anual (periodo 1996-2001) ... 90 29. Variacin de temperatura media anual (periodo 1996-2001).................................................... 91 30. Perfil de meteorizacin de arcillolitas de la Fm Seca, afectadas por meteorizacin fsica y qumica............................................................................................................................................ 94 31. Perfil de meteorizacin del batolito de Ibagu afectado por meteorizacin fsica y qumica. Formacin de niveles de arcillas ..................................................................................................... 94 32. Unidades geolgicas analizadas en Ibagu y sus alrededores ................................................... 97 33 a. Seccin estratigrfica generalizada de la parte superior de la Formacin Seca ..................... 99 33b. Seccin estratigrfica generalizada de la parte superior de la Formacin Gualanday Medio 99 34. Probetas obtenidas por coccin a 1.0000C de la zona de Ibagu y sus alrededores .................. 113 35. Localizacin estaciones de muestreo Sabana de Bogot........................................................... 117 36. Registro de precipitacin promedio mensual para los municipios de Checua, Zipaquir y Neusa......................................................................................................................................................... 121 37. Perfil de meteorizacin de arcillolitas de la Formacin Guaduas en la Sabana de Bogot (S de Guatavita E de Sesquil) .............................................................................................................. 131 38. Perfil de meteorizacin en areniscas y arcillolitas intercaladas de la Formacin Guaduas en la Sabana de Bogot (Va Guatavita Sesquil)................................................................................. 132 39. Niveles arcillosos de la Formacin Bogot y depsitos Cuaternarios afectados por meteorizacin fsica y qumica en la Sabana de Bogot, regin Checua-Nemocn ....................... 133 40. Formaciones geolgicas analizadas en la Sabana de Bogot .................................................... 134 41. Probetas obtenidas por coccin a 1.0000C de la zona de la Sabana de Bogot......................... 157


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42. Diagrama de aptitud arcillas de la Formacin Amag .............................................................. 163 43. Carta de plasticidad de Casagrande arcillas de la Formacin Amag....................................... 164 44. Diagrama de aptitud arcillas del Stock Altavista Itagi, zona nororiental ................................ 166 45. Carta de plasticidad de Casagrande arcillas del Sock de Altavista Itagi, zona noriental ........ 167 46. Diagrarma de aptitud arcillas Stock Altavista Medelln, zona noroccidental ........................... 168 47. Carta de plasticidad de Casagrande arcillas Stock de Altavista Medelln, zona noroccidental 169 48. Diagrarma de aptitud arcillas de la Formacin Seca ................................................................. 176 49. Carta de plasticidad de Casagrande arcillas de la Formacin Seca........................................... 177 50. Diagrama de aptitud arcillas del Grupo Gualanday .................................................................. 178 51. Carta de plasticidad de Casagrande arcillas del Grupo Gualanday........................................... 179 52. Diagrama de aptitud arcillas del Batolito de Ibagu y conos aluviales ..................................... 180 53. Diagrama de Casagrande arcillas del Batolito de Ibagu.......................................................... 181 54. Diagrama de aptitud de las arcillas de la Formacin Guaduas.................................................. 188 55. Carta de plasticidad de Casagrande arcillas de la Formacin Guaduas .................................... 189 56. Diagrama de aptitud de las arcillas de la Formacin Bogot Inferior ....................................... 190 57. Carta de plasticidad de Casagrande de las arcillas de la Formacin Bogot Inferior ............... 191 58. Diagrama de aptitud de las arcillas de la Formacin Bogot Superior ..................................... 192 59. Carta de plasticidad de Casagrande de la Formacin Bogot Superior..................................... 192 60. Diagrama de aptitud de las arcillas de la Formacin Guaduas.................................................. 194 61. Carta de plasticidad de Casagrande de la Formacin Sabana ................................................... 195


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TABLAS 1. Clasificacin de los minerales arcillosos ms comunes .............................................................. 23 2. Composicin qumica para diferentes aplicaciones cermicas ................................................... 32 3. Determinacin del lmite de deteccion (LD) y sensibilidad utilizando el mtodo de regresin lineal simple (RLS) ......................................................................................................................... 47 4. Determinacin del lmite de deteccin (LD) y sensibilidad por el mtodo de regresin lineal por pesos (RLP)..................................................................................................................................... 48 5. Patrones de referencia certificados utilizados en la determinacion de la precision y exactitud de las tcnicas analticas empleadas..................................................................................................... 49 6. Identificacin de las muestras procedentes de la zona de Medelln ............................................ 53 7. Estaciones con registro de precipitacin media anual en parte del Departamento de Antioquia (Medelln y Amag) ........................................................................................................................ 55 8. Perfil del ro Medelln Porce .................................................................................................... 56 9. Cuenca, subcuencas y microcuencas hidrogrficas en el municipio de Amag.......................... 56 10. ndice potencial de meteorizacin (I.P.M.) para algunas rocas gneas y metamrficas en el Departamento de Antioquia ............................................................................................................ 61 11. Anlisis modales e ndices para algunas rocas gneas y metamrficas y minerales en el Departamento de Antioquia ............................................................................................................ 62 12. Composicin qumica de las arcillas de la Formacin Amag ................................................. 70 13. Composicin qumica de las arcillas del Stock Altavista Itagi, zona nororiental ................... 71 14. Composicin qumica de las arcillas del Stock Altavista Medelln, zona noroccidente ........... 72 15 a. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Amag....................................... 73 15b. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Amag........................................ 74 16 a. Composicin mineralgica de las arcillas del Stock Altavista Itagi, zona nororiente.......... 75 16 b. Composicin mineralgica de las arcillas del Stock Altavista Itagi, zona nororiente ......... 76 17a. Composicin mineralgica de las arcillas del Stock Altavista Medellin, zona noroccidente . 77 17b. Composicin mineralgica de las arcillas del Stock Altavista Medellin, zona noroccidente................. 78


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18. Anlisis de plasticidad de las arcillas de la Formacin Amag................................................. 79 19 Anlisis de plasticidad en las arcillas del Stock Altavista Itagi, zona nororiente .................... 80 20. Anlisis de plasticidad de las arcillas del Stock Altavista Medellin, zona noroccidente ......................... 80 21. Anlisis granulomtricos para las arcillas de la Formacin Amag.......................................... 81 22. Anlisis granulomtricos para las arcillas del Stock de Altavista, Itagi, zona nororiental...... 82 23. Anlisis granulomtrico para las arcilla del Stock de Altavista, Medelln, zona noroccidente 82 24. Comportamiento cermico de las arcilla de la Formacin Amag............................................ 83 25. Comportamiento cermico de las arcillas del Stock Altavista Itagi, zona nororiental............ 84 26. Comportamiento cermico de las arcillas del Stock Altavista Medelln, zona noroccidente.... 84 27. Identificacin de las muestras zona de Ibagu .......................................................................... 88 28. Composicin qumica de las arcillas de la Formacin Seca...................................................... 105 29. Composicin qumica de las arcillas del Grupo Gualanday...................................................... 105 30 Composicin qumica de las arcillas del Batolito de Ibagu y conos aluviales ......................... 105 31a. Composicin mineralgica de las arcillas del Grupo Gualanday............................................ 106 31b.Composicin mineralogica de las arcillas del Grupo Gualanday............................................. 106 32a. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Seca............................................ 107 32b. Composicin mineralogica de arcillas Formacion Seca.......................................................... 108 33a. Composicin mineralogica de las arcillas del Batolito de Ibagu y (conos aluviales)............ 108 33b. Composicin mineralogica de las arcillas del Batolito de Ibagu (conos aluviales)............... 108 34. Anlisis de plasticidad de las arcillas de la Formacin Seca..................................................... 109 35. Anlisis de plasticidad de las arcillas del Grupo Gualanday..................................................... 109 36. Anlisis de plasticidad del Batolito de Ibagu (conos aluviales) .............................................. 110 37. Anlisis granulomtrico de las arcillad de la Formacin Seca.................................................. 110 38. Anlisis granulomtrico de las arcillas del Grupo Gualanday .................................................. 111 39. Anlisis granulomtrico de las arcillas Batolito de Ibagu (conos aluviales) ........................... 111


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40. Comportamiento cermico de las arcillas de la Formacin Seca .............................................. 112 41. Comportamiento cermico de las arcillas del Grupo Gualanday .............................................. 112 42. Comportamiento cermico de las arcillas del Batolito de Ibagu (conos aluviales)................................. 112 43. Identificacin de las muestras de la Sabana de Bogot............................................................. 115 44. Estaciones con registro de precipitacin media mensual en la Sabana de Bogot.................... 119 45. Valores mensuales de precipitacin, temperatura y humedad para Soacha .............................. 121 46. Algunas de las estaciones climatolgicas ubicadas en la Sabana de Bogot con valores medios multianuales de los parmetros climticos...................................................................................... 122 47. Composicin qumica de las arcillas de la Formacin Guaduas ............................................... 141 48. Composicin qumica de las arcillas de la Formacin Bogot Inferior .................................... 141 49. Composicin qumica de las arcillas de la Formacin Bogot Superior................................... 142 50. Composicin qumica de las arcillas de la Formacin Sabana.................................................. 143 51a. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Guaduas ..................................... 153 51b. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Guaduas ..................................... 144 52a. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Bogot Inferior........................... 144 52b. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Bogot Inferior .......................... 155 53a. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Bogot Superior ......................... 146 53 b. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Bogot Superior........................ 147 54 a. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Sabana....................................... 148 54 b. Composicin mineralgica de las arcillas de la Formacin Sabana....................................... 148 55. Comportamiento cermico de las arcillas de la Formacin Guaduas........................................ 149 56. Comportamiento cermico de las arcillas de la Formacin Bogot Inferior............................. 149 57. Comportamiento cermico de las arcillas de la Formacin Bogot Superior ........................... 150 58. Comportamiento cermico de las arcillas de la Formacin Sabana .......................................... 151 59. Anlisis granulomtricos de las arcillas de la Formacin Guaduas .......................................... 151


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60. Anlisis granulomtricos de las arcillas de la Formacin Bogot Inferior ............................... 152 61. Anlisis granulomtricos de las arcillas de la Formacin Bogot Superior .............................. 152 62. Anlisis granulomtricos de las arcillas de la Formacin Sabana............................................. 152 63. Comportamiento trmico de las arcillas de la Formacin Guaduas .......................................... 153 64. Comportamiento trmico de las arcillas de la Formacin Bogot Inferior ............................... 153 65. Comportamiento trmico de las arcillas de la Formacin Bogot Superior.............................. 154 66. Comportamiento trmico de las arcillas de la Formacin Sabana ............................................ 159 67. Anlisis prximos mineralgicos de las arcillas de la Formacin Amag ................................ 159 68. Anlisis prximo mineralgico de las arcillas del Stock de Altavista Itagi, zona nororiente . 160 69. Anlisis prximo mineralgico de las arcillas del Stock de Altavista Medelln, zona noroccidental ................................................................................................................................... 160 70. Caractersticas fsicas que presentan las probetas del Stock de Altavista Medelln, zona noroccidental ................................................................................................................................... 168 71. Anlisis prximo mineralgico de las arcillas de la Formacin Seca ....................................... 172 72. Anlisis prximo mineralgico de las arcillas Grupo Gualanday ............................................. 172 73. Anlisis prximo mineralgico de las arcillas del Batolito de Ibagu (conos aluviales) .......... 172 74. Anlisis fsico comparativo de las muestras de la Formacin Seca .......................................... 175 75. Anlisis fsico comparativo de las muestras del grupo Gualanday ........................................... 177 76. Anlisis fsico comparativo de las muestras deL Batolito de Ibagu........................................ 179 77. Anlisis fsico comparativo de las muestras de los conos aluviales.......................................... 180 78. Anlisis prximo mineralgico Formacin Guaduas ............................................................... 183 79. Anlisis prximo mineralgico Formacin Bogot Inferior ..................................................... 183 80. Anlisis prximo mineralgico Formacin Bogot Superior.................................................... 184 81. Anlisis prximo mineralgico Formacin Sabana .................................................................. 185


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1. INTRODUCCIN Este documento responde a la necesidad que tiene un amplio sector acadmico e industrial, de reconocer y disponer de una serie de parmetros documentados y estandarizados, para atender al mejoramiento en la utilizacin de las principales materias primas del producto cermico, con el fin de ampliar su competitividad en el mercado nacional e internacional. Por su vasta aplicacin artesanal desde tiempos precolombinos en Amrica y desde varios siglos antes de la era cristiana en el mundo occidental; las arcillas han sido utilizadas por el hombre para elaborar diversa cantidad de elementos para su servicio, sin embargo, al menos en Colombia su estudio detallado, sistemtico y continuo, ha recibido un tratamiento un poco despectivo por parte de los investigadores. Hasta la primera mitad del siglo XX, el tratamiento de las arcillas y la ingeniera del proceso cermico dependan de correlaciones empricas y de la intuicin prctica para obtener productos cada vez mejores, innovar los procesos o ejecer controles sobre la calidad de los productos. En los albores del siglo XXI, afortunadamente ya existen mtodos avanzados, equipos e instrumentos analticos, que permiten conocer y mejorar rpidamente el proceso industrial que se aplica a las arcillas como su principal materia prima. La aplicacin de estos mtodos avanazados tiene como base el conocimiento amplio y suficiente del origen, la estructura atmica y por ende la composicin qumica y mineralgica, de los minerales que constituyen los diferentes tipos de arcillas. En este sentido el presente catlogo se convierte en una herramienta de consulta y una gua del trabajo a desarrollar en los diferentes yacimientos, a efectos de utilizar la arcilla con mejores conocimientos sobre su potencialidad como materia prima importante dentro del proceso cermico. El presente documento consta de las siguientes partes:

Fundamentos para la caracterizacin de arcillas para la industria cermica roja. En l se establece la metodologa que se propone para la caracterizacin geolgica de los yacimientos, la caracterizacin mineralgica completa de las muestras, la preparacin de las muestras

y los anlisis qumicos necesarios para lograr este objetivo, e igualmente los fundamentos

para la caracterizacin fsica y tecnolgica.

Resultados de la caracterizacin de arcillas para cermica roja en Medelln, Ibagu y la Sabana de Bogot. En ste se describen todos los aspectos ya mencionados en el item anterior realizados sobre las muestras tomadas en las tres reas geogrficas.

Discusin de resultados y conclusiones. En esta parte se hace una discusin sobre los

resultados obtenidos y las implicaciones que ofrecen los diferentes recursos geolgicos analizados, para el proceso cermico propiamente dicho y se hace un aporte de conclusiones sobre la investigacin realizada y los resultados que puede ofrecer a la industria cermica.


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El proceso de caracterizacin de un material arcilloso es la determinacin real de las caractersticas geolgicas, qumicas, mineralgicas y de aptitud cermica que ofrecen los materiales naturales que conforman las diferentes unidades geolgicas presentes en cada yacimiento. Este documento sin pretender ser exhaustivo propone sentar las bases para el estudio analtico y geolgico que permita ir conociendo con mayor profundidad, los minerales arcillosos y su amplia gama de aplicaciones. Para la realizacin tanto del muestreo geolgico como de los anlisis qumicos, mineralgicos y fsicos se tuvieron encuenta los trabajos previos realizados por el Instituto de Cermica y Vidrio de Espaa y El Instituto Argentino de la Cermica Roja, las normas internacionales ASTM, ICONTEC y los protocolos y mtodos utilizados por los laboratorios de Minerales y Ensayos Geomecnicos de la Subdireccin de Ensayos y Servicios Tecnolgicos de INGEOMINAS. La informacin compilada y obtenida en el desarrollo de este estudio se encuentra sistematizada en tablas de excell y sern migradas posteriormente a la base de datos que el proyecto Investigacin en Utilizacin y Procesamiento de Rocas, Minerales y Carbones est construyendo para tal fin, los mapas producidos para la elaboracin del informe se encuentran digitalizados en ARC/INFO y los reportes de los anlisis producidos, se encuentran disponibles en medio magntico y en papel. Los autores expresan su agradecimiento a INGEOMINAS por haber patrocinado y financiado este trabajo, a las industrias ladrilleras ubicadas en las zonas de estudio por haber permitido el acceso a sus minas con el fin de tomar las muestras que forman la base principal del estudio y a los auxiliares del laboratorio por su valiosa contribucin en la preparacin de las muestras para ser analizadas.


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2. FUNDAMENTOS PARA LA CARACTERIZACIN DE ARCILLAS PARA LA INDUSTRIA DE CERMICA ROJA La caracterizacin de las arcillas se debe entender como la determinacin real de las caractersticas geolgicas, mineralgicas, qumicas, fsicas y de aptitud cermica que ofrecen los materiales naturales que conforman las diferentes unidades geolgicas presentes en cada yacimiento. Este proceso debe comprender los siguientes aspectos: caracterizacin geolgica, composicin mineralgica, composicin qumica y caracterizacin fsica y tecnolgica. 2.1 CARACTERIZACIN GEOLGICA Para llegar a la caracterizacin de los diferentes aspectos geolgicos de un yacimiento, se deben considerar las siguientes fases: Fase I exploracin. Establecimiento de criterios de seleccin de las formaciones geolgicas favorables para la presencia de materiales arcillosos. Exploracin y cartografa geolgica de dichas formaciones. Levantamiento de columnas estratigrficas seriadas y detalladas. Fase II ambientes sedimentarios. En el caso de unidades geolgicas sedimentarias: establecimiento de ambientes y facies de sedimentacin, intentando llegar a una reconstruccin paleogeogrfica de la cuenca donde se depositaron estos materiales. En el caso de materiales arcillosos producto de la meteorizacin de rocas gneas o metamrficas, establecimiento de las caractersticas petrogrficas de la roca parental. Fase III muestreos. Sondeos, anlisis de laboratorio, ensayos tecnolgicos y evaluacin de reservas. La caracterizacin geolgica debe involucrar adems los siguientes aspectos: localizacin, extensin, infraestructura vial, fisiografa; relaciones estructurales (pliegues y fallas) y las relaciones geolgicas (estratigrafa). 2.1.1 Localizacin y extensin Aqu se debe establecer cuidadosamente la localizacin de todas las reas potenciales para ser estudiadas en una zona de influencia dada, sin descuidar el anlisis de la infraestructura vial y de servicios con que cuenta cada subzona. 2.1.1.1 Fisiografa Al analizar la fisiografa del rea, es importante establecer la morfologa general y deducir las condiciones que llevaron a esta conformacin.


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Es importante y complementario realizar un anlisis detallado de la climatologa y la geomorfologa de la regin a estudiar, pues son los factores determinantes de la meteorizacin y por ende de la formacin de arcillas. La climatologa incluir la compilacin y anlisis de los datos registrados de pluviometra, termometra y la geomorfologa incluir el estudio y anlisis de los aspectos de relieve, drenaje, meteorizacin fsica, meteorizacin qumica y anlisis modal de algunas rocas para determinar su descomposicin. 2.1.1.2 Ambientes de sedimentacin. Facies El ambiente de sedimentacin de cada unidad geolgica que contiene materiales arcillosos o limosos de posible utilidad para el proceso cermico debe ser analizado con inters, para llegar, si es posible, a una reconstruccin paleogeogrfica de la cuenca donde se depositaron dichos materiales y cul fue su zona de aportes, pues esto puede dar indicaciones sobre sus posibles componentes y origen. 2.1.2 Relaciones geolgicas Las relaciones geolgicas que ofrece cada zona deben obtenerse como resultado de una exploracin geolgica detallada de las reas propuestas para estudio, de manera simultnea con su correspondiente cartografa geolgica, en la cual se determinarn los diferentes estratos o niveles arcillosos, su continuidad lateral, su espesor y la presencia de intercalaciones de materiales arcillosos, limosos o arenosos junto con su potencialidad, grado de cementacin y consistencia. El anlisis geolgico de la zona objeto de estudio incluir las caractersticas petrogrficas, las relaciones estratigrafcas y las estructuras geolgicas, tanto primarias como secundarias, que ofrezcan las unidades geolgicas expuestas. Debern igualmente hacerse anotaciones sobre el material de los posibles descapotes, su composicin, espesor, espesor de horizonte A del suelo o capa vegetal, vocacin o uso actual del suelo en el rea de estudio. 2.1.2.1 Petrogrficas Se debe analizar cuidadosamente la petrografa de las rocas expuestas en cada rea, ya que ellas ofrecen muy variadas caractersticas y orgenes los cuales inciden necesariamente en la presencia de materiales arcillosos, limosos o arenosos. En las diferentes zonas de estudio pueden existir desde rocas sedimentarias consolidadas en cuencas continentales a marinas o depsitos no consolidados de formacin reciente, hasta rocas gneas metamrficas y volcnicas y cada una de ellas exige un estudio y anlisis diferente como posible productora de materiales arcillosos.


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2.1.2.2 Estratigrficas Las relaciones estratigrficas estn dadas por la secuencia espacio-temporal que ocupan las rocas objeto de estudio. Esto significa que ser importante establecer en la caracterizacin geolgica, cules son las unidades infra y suprayacentes a los estratos de inters, a qu unidad geolgica corresponden y qu edad se ha calculado para su formacin. 2.1.3 Relaciones estructurales Igualmente las relaciones estructurales (pliegues, fallas, lineamientos, diaclasamientos, diques, cuellos volcnicos, etc.) merecen una alta importancia en el detalle del estudio, toda vez que ellos pueden tener gran incidencia en la formacin o alteracin de materiales arcillosos, espesamiento, pinchamiento o prdida de capas arcillosas. 2.1.4 Muestreo Del anlisis geolgico juicioso se desprenden los criterios de seleccin de los sitios de muestreo y la metodologa que se va a utilizar en el mismo. La seleccin de los sitios de muestreo debe tener en cuenta la presencia en el rea a explorar, taludes de minas (en actividad o abandonadas), taludes que forman los cauces del drenaje natural de la zona, taludes artificiales que se han formado por la construccin de carreteras, presas, puentes elevados u otras obras civiles. En estos sitios el muestreo se debe realizar en lo posible, haciendo canales de 10 cm. X 20 cm. X 10 cm, en la pared del talud, de manera sensiblemente perpendicular al piso y techo, con una recoleccin del total del material extrado del canal y mediante roleos y cuarteos sucesivos, obtener una muestra de entre 3 y 4 Kg . En los sitios donde existen afloramientos naturales se debe tener en cuenta limpiar previamente hasta obtener una superficie que muestre el material fresco, en lo posible no meteorizado. En las reas que no ofrezcan ni los unos ni los otros se debe programar un muestreo con base en apiques, trincheras o sondeos mecnicos. Un apique es un hueco vertical que se abre a pica y pala generalmente, y que puede tener un rea variable, que en general puede ser de 40 cm X 60 cm y llegar hasta una profundidad que permita reconocer y obtener muestras de cada uno de los estratos o capas arcillosos, limosos o arenosos. Una trinchera es un hueco horizontal generalmente de 40 cm X 40 cm X 50 cm, por un largo variable que generalmente es de varios metros y que permite verificar continuidad o variaciones laterales que pueda presentar un material geolgico. Para efectos de los sondeos mecnicos se puede utilizar cualquier equipo rotatorio de perforacin que permita la toma de muestras lo ms inalteradas posibles. Como en trminos generales los


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materiales arcillosos o limosos son blandos, se puede utilizar el sistema de barrenos tipo auger (manual o mecnico), estableciendo previamente un retculo geomtrico a partir del cual se obtengan muestras con un espaciamiento tal que permita conocer y muestrear el material de toda el rea y responda al estado de la exploracin que se requiera: exploracin regional, prefactibilidad minera, factibilidad minera o ampliacin de reservas de una explotacin dada. 2.2 COMPOSICIN MINERALGICA La composicin mineralgica comprende la identificacin de los minerales arcillosos simples e interestratificados (caolinitas, micas, esmectitas, cloritas) y de los dems minerales presentes en mayor o menor proporcin (cuarzo, feldespatos, minerales de hierro, piritas, yeso, carbonatos, etc). Su estudio se realizar a partir del anlisis por difraccin de rayos X en muestras tanto orientadas como sin orientacin definida, complementada en lo posible con microscopa ptica y microscopa electrnica EDAX. 2.2.1 Minerales arcillosos Actualmente se conoce que los minerales arcillosos son numerosos y difieren entre s por su forma, estructura, apilamiento de las capas y por la simetra de la red que forman entre s. Estas redes estructurales no son perfectas, generalmente presentan huecos por falta de iones o por sustitucin de unos iones por otros que distorsionan la estructura y generan diferencias entre familias. Es bueno tener presente que en los depsitos naturales siempre coexisten varias clases de minerales arcillosos simples e interestratificados acompaados de xidos de hierro o de titanio, de arenas, piritas, yeso, caliza, feldespatos y otros minerales; por lo tanto, cuando se afronta el estudio de un depsito arcilloso no se debe limitar a los minerales que estn en mayor proporcin, porque, an cuando en general las propiedades de los materiales se ven influidos notablemente por los constituyentes mayoritarios, los menores pueden representar un papel importante. De acuerdo con su distribucin estructural los minerales arcillosos se pueden dividir en las siguientes familias o grupos: 2.2.1.1 Filosilicatos bilaminares Los filosilicatos bilaminares estn formados por dos capas una tetradrica y otra octadrica por eso reciben los nombres de bilaminares, 1:1 T:0 (Figura 1). Generalmente los tetraedros son de silicio rodeados de oxgeno, an cuando en ocasiones el silicio puede estar sustituido por iones de aluminio o de hierro. Los octaedros pueden tener como in predominante el aluminio o el magnesio y estn rodeados de oxgeno o de hidrxilos (OH). Cuando el in dominante es el aluminio la lmina que se forma se denomina dioctadrica y cuando el in dominante es el magnesio se dice que la capa es trioctadrica. Los diferentes iones estn apilados en tal forma, que se mantiene la electronegatividad entre ellos.


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Las capas tetradrica y octadrica constituyen una lmina. La separacin entre lminas es del orden de 7unidades Anstrong (). En esta clasificacin se distinguen dos familias de minerales la de la Kandita o Caolinita (dioctadricos) y la de las Serpentinas (trioctadrico).

Figura 1. Estructura elemental de la caolinita a) Familia de la Kandita. Segn Besoain (1985) son posiblemente los minerales arcillosos ms extendidos y frecuentes en el mundo y comprende la Caolinita, la Haloisita, la Nacrita y la Dickita. La composicin qumica de la caolinita puede expresarse como Al2O3.2SiO2. 2H2O. Los distintos minerales se distinguen por los diferentes apilamientos de las capas octadricas y tetradricas, la simetra de la red cristalina y la mayor o menor inclusin de molculas de agua; al microscopio electrnico presentan formas laminares planas o ligeramente curvas o formas tubulares enrolladas: son dioctadricas. Una arcilla que presente abundancia de caolinita mayor al 20% tiende a aumentar su resistencia a la coccin, es decir require temperaturas mucho ms altas, lo que se conoce como poder de refractariedad o refractariedad simplemente, ofrece baja plasticidad, se seca fcilmente y no tiene buena resistencia mecnica.


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b) Familia de las serpentinas. Incluye los minerales trioctadricos denominados Crisotilo, Lizardita, Antigorita y Bertierina. La composicin qumica de una Serpentina puede expresarse como 3MgO.2SiO2.2H2O. 2.2.1.2 Filosilicatos trilaminares Cada lmina est formada por dos capas de tetraedros de slice que encierran una capa de octaedros de almina o de magnesia, por esta razn se les denomina trilaminares, 2:1 T:0:T. Las lminas no son elctricamente neutras debido a que se presentan sustituciones de unos iones por otros de diferente carga. La separacin entre lminas es del orden de 10. Comprenden tres familias: esmectitas, micas y minerales fibrosos o Atapulgitas. a) Familia de las Esmectitas o minerales expandibles. Esta familia incluye especies dioctadricas como la Montmorillonita (Figura 2), la Nontronita y la Beidelita y trioctadricas como la Saponita, la Sauconita y la Hectorita. Tambin se les da el nombre de Bentonitas. Su composicin qumica vara por la capacidad de sustitucin elemental y de absorcin de agua; una frmula general para una esmectita es: Al2-xMgxSi4O10(OH)2.

Figura 2. Estructura elemental de la Montmorillonita En general, las arcillas expansibles, presentan estructuras que permiten que el agua penetre entre las lminas tetradricas y octadricas a travs de enlaces de hidrgeno, lo cual determina una expansin de la celda cristalogrfica y explica su alto ndice de plasticidad.


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En el proceso cermico la presencia de minerales de este tipo an cuando aumentan la plasticidad de la pasta, es inconveniente porque en el secado los objetos moldeados pierden volumen y se deforman, por eso su uso debe ser cuidadosamente controlado. b) Familia de las micas Esta familia sigue el mismo esquema de cristalizacin de la anterior pero sus minerales no son expandibles; a este grupo pertenecen las vermiculitas, el talco, la pirofillita, la illita, la moscovita (Figura 3).

Figura 3. Estructura elemental de la illita

En la celda cristalogrfica de las micas algunos silicios pueden estar reemplazados por aluminio y la diferencia de carga est balanceada por iones potasio. La composicin qumica de la illita puede expresarse como K Al2O3.4SiO2.H20. El ndice de plasticidad de los minerales de esta familia es menor que el de las esmectitas, pero su plasticidad aumenta a medida que disminuye el tamao del grano; la presencia de potasio en la estructura de la illita le comunica cierto poder fundente en el proceso cermico. c) Familia de las Atapulgitas. Minerales fibrosos


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Pertenecen a esta familia la Sepiolita y la Paligorskita que estn formadas por lminas discontinuas tipo mica. A diferencia de las ya nombradas que se presentan en lminas, estas se presentan como fibras. En su estructura se encuentra una capa basal contnua de tetraedros y capas discontinuas peridicamente de octaedros. Su aplicacin en el proceso cermico es an desconocido. 2.2.1.3 Cloritas. Son un grupo de minerales cuyas lminas estn compuestas por dos capas tetradricas y dos octadricas por lo que se les denomina 2:1:1 T:0:T:0. Las lminas no son elctricamente neutras debido a sustituciones de unos cationes por otros de distinta carga pero de tamao semejante. La neutralidad se logra por grupos hidrxidos y por cationes interlaminares como sodio, potasio, calcio o magnesio. La separacin entre lminas es del orden de 14 o ms. La frmula general de las cloritas es R5++ R+++ Si3 R+++ O10 (OH)8 en la cual R++ puede ser Fe Mg y R+++ puede ser Al Fe. En la Tabla 1 se presenta una clasificacin de los minerales arcillosos ms comunes. TABLA 1. Clasificacin de los minerales arcillosos ms comunes DIOCTAEDRICOS TRIAOCTAEDRICOS BILAMINARES

T:O 1:1

KANDITAS

Caolinita Nacrita Dickita Halloisita

SERPENTINAS

Antigorita Crisotilo Lizardita Bertierina

MICAS

Illita Moscovita Paragonita Pirofillita

MICAS

Flogopita Biotita Lepidolita Talco

TRILAMINARES T:0:T

2:1

ESMECTITAS (Expansibles)

Montmorillonita Beidelita Nontronita Vermiculita

ESMECTITAS

Saponita Hectorita Sauconita

ATAPULGITAS (fibroso)

Paligorskita ATAPULGITAS

Sepiolita

T:0:T:0 2:1:1

CLORITAS Sudoitas CLORITAS

Clinocloros Proclorita

Fuente: Tomada y modificada de Garca R. E, Surez B. M (2002). En la literatura se encuentran muchas otras clasificaciones que incluyen numerosos minerales basados en otras propiedades.


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2.2.2 Otros minerales Otros minerales contenidos en las arcillas son: feldespatos, slice, carbonato de calcio, mineral de hierro, ilmenita, yeso, mineral en estado coloidal como el alofano y los xidos hidratados. Los feldespatos. Son aluminosilicatos constituidos por redes tridimensionales de tetraedros de slice en los cuales parte del silicio se encuentra sustituido por aluminio, lo que origina una deficiencia de carga que se ve compensada con iones potasio, sodio y calcio y ocasionalmente con bario o estroncio. Qumicamente los feldespatos se dividen en tres grupos as: Potsicos = ortoclasa y microclina;la composicin de la ortoclasa es: K2O Al2O3 6SiO2. Calcosdicos = albita y anortita; la composicin de la albita es: Na Al Si3O8 Bricos = Celsiana e hialofana; BaO Al2O3 2SiO2 Estos minerales presentan alguna plasticidad pero muy baja, por eso se pueden considerar antiplsticos o desgrasantes, adems como funden o sinterizan a las temperaturas comunes en el proceso cermico se usan principalmente como fundentes. La slice (SiO2) en forma de cuarzo. Constituye el mineral ms abundante en la naturaleza, de cristalizacin ms perfecta y de gran pureza. Es el principal constituyente de las arenas. Los cristales de cuarzo cambian su estructura cristalina a 573C produciendo cambios de volumen lo cual afecta el producto cermico (ver figura No.4). Por eso debe programarse una menor velocidad de calentamiento entre 500 y 600C cuando se efecta el proceso cermico para que la pasta que los contiene no sufra rupturas por esa situacin (Figura 4).

Figura 4. Arreglos cristalinos del cuarzo. Las partculas de slice no presentan plasticidad y por eso son usadas comnmente como antiplstico.


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Inosilicatos. La slice tambin se presenta en forma de cadenas simples o dobles formadas por tetraedros que se unen lateralmente y se conocen como inosilicatos. Estos se encuentran predominantemente en rocas gneas; los principales son los piroxenos y los anfboles. Los piroxenos se presentan en cadenas simples, de extensin infinita con composicin qumica general R+2 (SiO3)n, siendo R+2 un catin alcalino, o alcalino terreo y en ocasiones Fe+3 o Al+3 . Pueden cristalizar en sistemas monoclnicos o rmbicos. Ejemplos: MONOCLINICOS Mg (SiO3)2 Clinoenstatita Ca Mg (SiO3)2 Diopsido Li Al (SiO3)2 Espodumeno RMBICO Mg2 (SiO3)2 Enstatita Los anfboles presentan estructura con cadenas dobles que pueden unirse para formar anillos. Pueden cristalizar en sistemas monoclnicos y rmbicos. Ejemplos: MONOCLINICOS Actinolita (OH)2 Ca2 (Mg,Fe) Si8 O22 Hornblenda (OH)2 Ca2 Na(Mg,Fe,Al)5 Al2 Si6 O22 ROMBICO Antofillita (OH)2 (Mg,Fe)7 Si8 O22 Carbonato de calcio (CaCO3). Este mineral ejerce una accin fundente muy enrgica en las pastas cermicas rebajando la temperatura de coccin. Por accin del calor, se descompone en xido de calcio y desprende gas carbnico, por eso se usa tambin cuando se desea obtener cermica porosa. Para usarlo es necesario asegurar que est en grano fino y bien mezclado con los dems minerales, pues si aparece en granos grandes la cal formada durante la coccin tiende a carbonatarse e hidratarse al salir del horno por accin del medio ambiente, produciendo grietas en el interior y erosin en la superficie de los productos como resultado el aumento de volumen en las piezas En las pastas crudas acta como antiplstico aunque no reduce el encogimiento en el secado tanto como la slice. Minerales de hierro. Los minerales de hierro que se encuentran comnmente en las arcillas son: hematita, magnetita, goethita y pirita. Las tres primeras son las principales responsables del color de las arcillas y de sus productos. a) Hematina (Fe2O3). Se presenta en cristales laminares, rombodricos, su color vara entre el

negro, rojo intenso y gris acero con brillo semimetlico. No es magntico y es qumicamente estable en ambiente oxidante.


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b) Magnetita (Fe Fe2O4.) Es una piedra magntica natural que se encuentra relativamente pura en

forma de cristales cbicos de color negro-amarillo. Sus propiedades magnticas desaparecen por calentamiento y si no hay transformacin, reaparecen por enfriamiento. En ambiente oxidante se convierte en hematita y pierde sus caractersticas magnticas.

c) Goethita HFeO2. Se presenta en masas continuas compactas o en masas pulverulentas de color

pardo oscuro a negro acompaado de la limonita que es su forma hidratada. d) Pirita FeS2. Se presenta en forma de pequeos cristales o en granos redondeados de color

amarillo latn y brillo metlico intenso. Tambin existe otra forma de sulfuro de hierro llamado marcasita.

La pirita y la marcasita cuando se calientan a bajas temperaturas y se remueve parte de su azufre adquieren propiedades magnticas. La marcasita se descompone ms rpidamente que la pirita y por intemperismo se convierte en sulfatos. En presencia de una atmsfera oxidante, estos sulfuros se descomponen an a bajas temperaturas y si no se remueven los gases de combustin pueden aparecer posteriormente como sulfatos alcalinos que difcilmente se descomponen. Los sulfatos pueden presentarse en la superficie de los objetos cocidos en forma de eflorescencia. En presencia de una atmsfera reductora se puede formar sulfuro de hidrgeno y an condensarse como azufre libre en las partes fras del horno.

Ilmenita FeOTiO2. Este mineral se presenta como cristales tabulares rombodricos de color negro a gris con brillo semimetlico. En ambiente reductor y en caliente se vuelve magntico. Se encuentra generalmente asociado con la magnetita. Yeso Ca SO4. 2H2O. Este mineral se presenta en cristales monoclnicos frecuentemente transparentes e incoloros aun cuando si tiene impurezas puede presentar coloraciones. Tiene brillo vitreo con reflejo nacarado. Es muy poco soluble en agua. Su forma anhidra es la anhidrita Ca SO4 que se presenta en cristales rmbicos. Esta impureza de la arcilla es la que con mayor frecuencia forma depsitos salinos en los ladrillos crudos, indeseables por la facilidad con que se transforman en manchas superficiales o permanecen dentro de este hasta que por accin de la humedad salen a la superficie formando las eflorescencias. Minerales en estado coloidal. Prcticamente todos los minerales nombrados hasta ahora se presentan en estado cristalino. Sin embargo, en las arcillas y en los suelos existe un grupo abundante de minerales en estado coloidal a amorfo. Los principales son el alofano y los xidos hidratados de hierro y de almino.


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Alofano: Es un producto de alteracin de cenizas volcnicas con liberacin de cationes como Ca++ y Mg++ adquiriendo el silicio y el almino presentes propiedades coloidales. Cuando las cenizas se alteran dan origen a los materiales alofnicos. Oxidos hidratados de hierro y alminio, son abundantes en suelos tropicales. Los ms importantes son la limonita Fe2O3 XH2O y la gibsita Al2O3 , 3H2O. Las concentraciones naturales de hidrxidos de hierro son por lo comn mezclas de gohetita con limonita y sustancias arcillosas que presentan color pardo. Minerales estratificados. En los suelos y en las arcillas pueden presentarse frecuentemente minerales de capas mixtas con partculas sin orientacin geomtrica preferida o con presencia de varios silicatos laminares semejantes. Las estructuras de estos minerales pueden ser de dos clases: regulares y al azar; son regulares cuando hay una repeticin de lminas a lo largo de un eje cristalogrfico y al azar cuando no la hay. Estas estructuras se presentan principalmente entre minerales trilaminares, como consecuencia de la similitud que presentan los filosilicatos entre s. El estudio de estos minerales es bastante difcil aun con el auxilio de los mtodos con difraccin de rayos X. Es importante anotar que no se debe confundir lo que es un interestratificado con una mezcla de minerales (Besoain 1985). 2.2.3 Importancia del anlisis mineralgico La presencia o ausencia de cualquiera de estos minerales condiciona el comportamiento de las pastas en todo el proceso o influye en algunos casos en las propiedades del producto y en la durabilidad y belleza del mismo. Actualmente la composicin mineralgica se realiza utilizando tcnicas de difraccin de rayos X, complementadas con anlisis qumicos, trmicos, petrogrfico y de microscopa electrnica. La difraccin de rayos X para muestras materiales de grano muy fino, es una tcnica instrumental que permite identificar fases cristalinas o planos cristalogrficos en muestras slidas de compuestos qumicos o minerales. La tcnica est basada en la ley de Bragg la cual establece una relacin directa entre el ngulo de incidencia de los rayos X y la distancia entre dos planos del cristal. Es una tcnica especialmente til para identificar minerales de arcilla puesto que estos se caracterizan por su pequeo tamao, difcil de observar al microscopio, y el cual es precisamente el requerido para el anlisis por rayos X. Los registros consecutivos de difractogramas seguidos de post-tratamientos, permiten diferenciar las especies y grupos de minerales de arcilla, los cuales pueden identificarse con mayor seguridad combinando los datos suministrados por este mtodo y los que se obtienen con los anlisis qumicos.


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2.3 ANLISIS QUMICOS El anlisis qumico de los minerales permite conocer cules son los elementos presentes en la mezcla mineral natural y en qu proporcin se encuentran, sin embargo, no indica la forma como estn combinados en la muestra ni su estado de oxidacin. Tradicionalmente se determinan los siguientes elementos: Silicio, aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio y potasio y se complementa con las determinaciones de las prdidas de peso a 100 y 110C, que se interpretan como humedad y las prdidas por calcinacin a 1.000C que se atribuyen a prdida de agua de composicin y como descomposicin de materia orgnica y carbonatos. Para el anlisis por va hmeda de estos minerales, se han aplicado histricamente diversos procedimientos clsicos como gravimetra, volumetra y complexometra e instrumentales como colorimetra. Actualmente con el uso de absorcin atmica y fluorescencia de rayos X se pueden lograr anlisis mucho ms completos. Los resultados del anlisis elemental se expresan en los respectivos xidos como est mundialmente aceptado. 2.3.1 Preparacin de las muestras para anlisis en laboratorio La preparacin de las muestras para anlisis en laboratorio se realiza de la siguiente manera: Recibidas las muestras tomadas en campo, es necesario adecuarlas para someterlas a los distintos anlisis qumicos y fsicos, segn las normas, las muestra deben cumplir requisitos de tamao y nivel de humedad al ser sometidas a las distintas determinaciones, en la figura 5 se presenta el esquema seguido en el laboratorio para la preparacin de muestras para los anlisis en laboratorio ms corriente.


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Figura 5. Esquema seguido en el laboratorio para la preparacin de las muestras Las muestras debidamente identificadas se extienden sobre plstico y se dejan secar a la sombra y a temperatura ambiente por lo menos durante una semana. Segn el tamao de partcula que presenten y su grado de dureza las muestras se someten a disgregacin por medio de maceta mortero o triturador hasta que pasen malla No. 10 (2 mm.). Luego se someten a homogenizacin por roleo y cuarteo mediante un cuarteador adecuado, se trituran para que pase por malla No.40 (425 m) y as se obtiene la muestra adecuada para las determinaciones de tamao de partcula y la plasticidad por hidrmetro y lmites de Atterberg y se guarda la muestra testigo. La muestra restante se pulveriza para que pasa malla No. 100 (150 m) y se somete a los anlisis qumicos y fsicos. Para el anlisis elemental por va hmeda es necesario disolver estos minerales, procedimiento que hasta hace poco tiempo requera fusiones en material de platino y sucesivos y demorados procedimientos en el laboratorio. Actualmente, se cuenta con tcnicas ms efectivas, utilizando la accin del cido fluorhdrico para obtener fluoruros solubles y cido brico para neutralizar y

ESQUEMA GENERAL DE PREPARACION DE MUESTRAS DE ARCILLA

MUESTRA

SECADO AL AIRE T AMBIENTE

DISGREGACION: - MACETA

- TRITURADORA

TAMIZADO MALLA 10 ( - 2 mm)

HOMOGENIZACION Y CUARTEO

TESTIGO, PESO APROX. 1.5 Kg

HIDROMETRIAPESO APROX. 500 g

CONDUCTIVIDAD, PESO APROX.

500 g

PULVERIZACION MALLA 100 (-150 m )

TIEMPO APROX. 30 Seg.PESO APROX. 1 Kg.

MOLIENDA CON MORTERO MALLA 40

(- 425 m )PESO APROX. 500 g

GRANULOMETRIAVIA SECA 30, 50,

100, 200 Y FONDOPESO APROX. 1 Kg.Empaque en bolsa

Empaque en bolsa

Empaque en bolsa

HOMOGENIZACION(ROLEO)

EMPAQUE EN BOLSA

LIMITE DE ATTERBERG

Empaque en bolsa Seguir Diagrama Adjunto

pH Plasticidad yComportamiento

Trmico

Anlisis QumicoHumedad

Prdidas x Calc.DRX

Indice de Azulde Metileno


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estabilizar la solucin. El ataque se lleva acabo en material plstico que no introduce iones extraos, reduce el peligro de contaminacin de la muestra y como se trabaja a temperatura ambiente o moderadamente alta, se previenen las prdidas por volatilizacin. La metodologa seguida en INGEOMINAS est registrada en el documento LIM-026 de la Subdireccin de Ensayos y Servicios Tecnolgicos, Laboratorio de Minerales. 2.3.2 Lectura de los elementos por absorcin atmica El mtodo de anlisis por absorcin atmica se basa en el principio de disociacin de un compuesto en sus elementos por aplicacin de una energa, y la absorcin, por parte de los orbitales atmicos, de la radiacin emitida por el mismo elemento en estado exitado. El anlisis elemental por absorcin atmica es un procedimiento que brinda ventajas significativas por ser especfico, sencillo, rpido y sensible. La mayor importancia en su ejecucin reside en la puesta en solucin de las muestras y en la preparacin de los blancos de reactivos y de los patrones que deben exhibir la misma matriz qumica de la muestra para evitar interferencias. Cuando se utiliza la solucin obtenida por tratamiento con cido fluorhdrico y cido brico es necesario aadir in cesio para eliminar en lo posible las interferencias por ionizacin en las determinaciones de Na, K, Ca y Al. 2.3.3 Validacin de tcnicas analticas La validacin de metodologas analticas, desempea un papel muy importante dentro de un estudio, ya que garantiza no solo un control estricto de los mtodos aplicados en la evaluacin de los depsitos muestreados, sino que adems, genera resultados confiables. El proceso experimental desarrollado para llevar a cabo la validacin de cada uno de los mtodos considerados; haciendo uso de criterios estadsticos permite evaluar, la sensibilidad, el lmite de deteccin, la precisin y la exactitud de cada uno de los metodos qumicos aplicados en la caracterizacin de las arcillas. En la Figura 6 se representan los items a tener encuenta cuando se hace la validacin de un mtodo analtico.


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Figura 6. Esquema metodologico seguido para hacer la validacin de un mtodos analtico El concepto de precisin esta asociado con la variabilidad de los resultados individuales de medidas repetitivas. Un mtodo en el cual los valores obtenidos presentan poca dispersin se dice que es preciso y viceversa. El parmetro mas apropiado para estimar la precisin es la desviacin estndar relativa, la cual representa la magnitud de la dispersin con relacin a la serie total de datos. La desviacin estndar estima la dispersin con relacin a la medida; el limite de confianza determina la probabilidad de que la medida caiga dentro de un rango determinado alrededor de X (Enciso, 1996). La exactitud se define como la proximidad de una medida con el valor real o esperado, en un proceso de validacin; experimentalmente se obtienen valores promedio, los cuales son comparados con los valores certificados, las diferencias pueden ser cuantificadas mediante tratamientos estadsticos para establecer si son significativas o no. Dentro de las herramientas estadsticas mas ampliamente usadas para evaluar la exactitud de un mtodo, se encuentra el T-Student, este permite determinar si dentro de un grado de probabilidad especifico, existe alguna fuente de error determinado que genere las diferencias entre el valor obtenido y los valores certificados. En el captulo correspondiente a la presentacin de resultados se describir en forma detallada la metodologa realiazada en el laboratorio de Ensayos y Servicios tecnolgicos de INGEOMINAS para garantizar la precisin y exactitud de las tcnicas analticas utilizadas para determinar la composicin de los elementos mayores en las arcillas muestreadas.

M t o d oa v a l i d a r

C o n t r o l d e c a l i d a d

M e d i d a s r e p e t i t i v a s

P a t r o n e s d er e f e r e n c i a

M t o d o d e e x a c t i t u d c o n o c i d a

P R E C I S I N

M t o d o a l t e r n o

M t o d o V a l i d a d o

E X A C T I T U D


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2.3.4 Otros anlisis qumicos En el anlisis de composicin qumica, an cuando no se hace rutinariamente, tambin es deseable conocer algunos aniones, principalmente los sulfatos y los sulfuros, los cuales pueden eventualmente reaccionar en el proceso industrial y son potencialmente formadores de eflorescencia en los productos. Los resultados de los anlisis qumicos combinados con los de los anlisis mineralgicos suministran un valioso conocimiento para la formulacin de pastas y el control del proceso. Rodriguez A. (1998) en el informe 2304b de INGEOMINAS- presenta un cuadro de composicin qumica para diferentes aplicaciones cermicas, (Tabla 2). TABLA 2. Composicin qumica para diferentes aplicaciones cermicas

Composicin

qumica

Alfarera comn

%

Ladrillos refractario

%

Tubera gres

%

SiO2 57,7 63,1 54 78 64,1 83,1 Al2O3 27,1 21,6 39,1 17,2 20,5 9,1 Fe2O3 6,1 3,0 2,7 1,3 0,2 1,1 TiO2 - - 0,1 1,8 CaO 5,6 0,4 1,5 0. 2,0 1,0 MgO 0,1 0,5 1,1 0,8 0 0,3 K2O 0,2 2 1,6 2 0,9 1,8 Na2O 0,2 2 - 0,3 2,0 CO2 - - - H2O - - - PPI 3,2 9,4 - 13,7

2.3.5 Anlisis prximo mineralgico A travs del tiempo los investigadores han propuesto varias formas de interpretacin de los anlisis qumicos y mineralgicos que permitan relacionar la composicin de la materia prima con su comportamiento cermico. En el siglo XIX el qumico alemn Hermann Seger, propuso un sistema de clculo que relacionar la composicin qumica expresada en xidos de una materia prima o de una mezcla agrupando estos xidos de acuerdo a sus reacciones en el proceso cermico y expresando en la llamada Frmula de Seger muy usada an especialmente en el estudio de vidriados. Aqu se propone un sistema que permite llegar a una composicin cuantitativa mineralgica a la cual se da el nombre de anlisis prximo mineralgico, basado en los datos de los anlisis qumicos y de difraccin de rayos x.


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Se le da el nombre de prximo porque para los clculos se asumen unas composiciones qumicas tericas como representativas de las frmulas as: Caolinita Al2O3 2SiO2 . 2H2O Feldespato Illita K Al2O3. 4SiO2 . H2O Ortoclasa Al2O3 . K2O .6SiO2 Montmorillonita Al2O3 . 4SiO2.H2O Microclina K2O . Al2O3 . 6SiO2 Pirofillita Al2O3 4SiO2.H2O Albita Na2O . Al2O3 . 6SiO2 Serpentina 3 MgO 2SiO2.2H2O Anortita CaO . Al2O3 . 2SiO2 Cloritas Celsiana BaO Al2O3 . K2O 6SiO2 A partir de los datos obtenidos en el estudio por difraccin de rayos x se determinan las especies minerales presentes y se establece la proporcin relativa de los minerales arcillosos. Los feldespato se calculan primero de los valores de K2O, Na2O, si no hay illita.Simultaneamente se determinan las cantidades de Al2O3 y SiO2 correspondiente a estos y se restan del total. Si no hay feldespatos se suele asumir que el K est en la illita y el Na en las esmectitas. La almina restante se distribuye proporcionalmente entre los minerales arcillosos presentes.La slice restante se expresa como cuarzo.El Fe2O3 se expresa como hematita Fe2O3.;si hay yeso se calcula a partir de CaO. Si se establece la presencia de yeso y calcita el CaO se distribuye proporcionalmente; el exceso de magnesio puede expresarse como serpentina.El contenido de titanio se distribuye proporcionalmente entre la clorita y la anatasa. En cada clculo se incluye el agua de cristalizacin, sumando los contenidos de agua de cristalizacin de cada una de las fases el resultado se le resta al total del valor obtenido para prdidas por calcinacin; el resultado se expresa como prdidas. Cuando hay presencia de minerales nter estratificados, se asume que cada fase cristalina esta en proporcin 1:1 y para efectos de calculo dada la dificultad para establecer la formula composicional; se atribuyen sumando la proporcin correspondiente a la fase pura mayoritaria como por ejemplo: un intersetratificado illita/esmectita del 3% se asinga 1,5 % a la fase illita principal y el correspondiente 1,5% a la fase esmectita. Los piroxenos se expresan como otros. Si hay titanio se puede calcular como anatasa o rutilo TiO2.. El agua restante es humedad. Si no hay presencia de carbonatos las prdidas por calcinacin pueden asignarse a materia orgnica.


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2.4 CARACTERIZACIN FSICA Y TECNOLGICA Las propiedades tecnolgicas de los materiales cermicos estn constituidas por el conjunto de propiedades fsicas y fisicoqumicas que determinan el comportamiento de sus formulaciones; aqu se tomarn en cuenta slo las que son importantes en el proceso cermico de las arcillas para cermica roja utilizada para la fabricacin de ladrillos, tejas, bloques, etc., que son entre otras: color crudo y en quema, tamao de partcula, plasticidad, contraccin en crudo y en quema, densidad. El conocimiento de estas propiedades en las materias primas proporciona una herramienta til en la formulacin de las pastas cermicas, puesto que permite evaluar la conveniencia de incluir un material dado y su proporcin, para la obtencin de un fin determinado. 2.4.1 Color en crudo y en quema Los minerales de hierro presentes naturalmente en la arcilla son los principales, ms no los nicos, responsables del color en seco, el cual tambin se ve influido por el tamao de grano y su distribucin, as como por el estado de oxidacin de las especies qumicas presentes. En arcillas de tonalidades grises, azules o verdosas el hierro se encuentra en su estado de oxidacin Fe+2 (ferroso) y en las rojas est en grado de oxidacin Fe+3 (frrico). Algunos de los minerales presentes son perfectamente blancos, pero en la mezcla natural aparentan diferentes colores debido a factores pticos. Otros componentes son naturalmente coloreados y lo comunican en mayor o menor grado a todo el mineral. Las sustancias orgnicas que frecuentemente se encuentran en las arcillas naturales y que pueden comunicar color son los cidos hmicos, las algas y algunas manifestaciones del carbono; generalmente la coloracin debida a estas sustancias desaparece por calentamiento y de ah las diferencias encontradas entre la sustancia seca y la calcinada. El color despus de ser sometido a coccin es una de las propiedades que ms interesa en la industria cermica pues si quema color piel o crema puede utilizarse para la produccin de baldosas para pisos o paredes, pero si quema rojo en diversas intensidades su uso est limitado a la produccin de cermica como ladrillos y bloques y otros productos para construccin como baldosas, tejas y tubos de gres; tambin en nuestro pas es usada para la produccin de objetos varios en forma artesanal. El color del objeto cocido se afecta por el ambiente oxidante o reductor del horno y por el grado de coccin, siendo ms intenso a medida que aumenta el grado de vitrificacin; por eso en ocasiones el color de los objetos producidos industrialmente difiere del determinado en condiciones de laboratorio. Adems el color superficial del objeto suele ser diferente del de la parte interior pues las superficies estn sometidas a diferentes reacciones segn sea mayor o menor la accin oxidante o reductora de la atmsfera del horno.


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Existen diversos mtodos instrumentales para determinar el color pero generalmente se determina por comparacin con tablas preest

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