3. Analisis y resultados de las arcillas

En el siguiente capıtulo se describe la composicion mineralogica de las arcillas extraıdas en

el parque arqueologico La Poma; ya previamente se realizo un tratamiento para eliminar

materia organica y carbonatos. Posterior a esto se aplico el protocolo para la obtencion de

partıculas fraccion arcilla (partıculas de tamano < 0, 2µm).

Las muestras de arcillas se estudiaron por diferentes tecnicas que fueron acoplandose pa-

ra conocer su naturaleza; desde el analisis termico, composicion elemental y estructural. La

composicion elemental se estudio por Fluorescencia de Rayos X (XRF y XRFP) y Dispersion

de Energıa de Rayos X (EDX). Haciendo uso del programa (ImageJ) se realizo una estadıstica

para conocer el diametro promedio de las partıculas con micrografıas obtenidas por la tecnica

de Microscopia de Rayos X (SEM). Para determinar la composicion mineralogica aplicamos

tecnicas de Espectroscopia infrarroja (IR) y Difraccion de Rayos X (XRD) estos espectros

son comparados por patrones definidos para arcilla [31, 32, 33] y por software X’Pert y Bio-

Rad’s [6], adicionalmente se muestra el estudio termico en algunas de las muestras (DSC y

TG).

El analisis por Difraccion de Rayos X (XRD) se presenta la evolucion de los diferentes

difractogramas por efecto de tratamientos termicos y de glicolacion de los orientados. Los

criterios de identificacion se basan en el analisis de los maximos de las reflexiones basales

(001) de muestras saturadas, en este caso con etilenglicol. Hay que tener en cuenta algunos

aspectos en el estudio de las arcillas ya que pueden hacer difıcil su analisis; ocasionalmente

por efectos de contaminacion o presencia de multiples fases mineralogicas, estos efectos pue-

dan tener consecuencias sobre los resultados analizados, en el caso de Difraccion de Rayos X

pueden ocurrir solapamientos en los picos [31]. El analisis que se presenta es cualitativo de

las fases presentes.

3.1. Fluorescencia de Rayos X Portatil (XRFP)

El resultado multielemental y los porcentajes de concentracion cualitativos de las arcillas se

presentan en la tabla 3-1. Las medidas de estas fueron para arcillas no tratadas, es decir no

se utilizo ningun protocolo. Los elementos con mayor concentracion son el Hierro seguido del

Titanio y Zirconio. Las elevadas cantidades en metales se deben al tipo de calibracion del

equipo (XRFP). El estudio muestra bajos contenidos de Silicio y la ausencia de Aluminio,

algo que no concuerda con la naturaleza de la muestras ya que siendo arcillas deben estar

50 3 Analisis y resultados de las arcillas

constituido por agregados de aluminosilicatos y bajos contenidos de metales si esto no se

diera el suelo tendrıa una mineralogıa diferente [46].

Los tiempos con que se realizaron las medidas de (XRFP) es de 30 s, ya que a mayor

tiempo de exposicion aparecen elementos no caracterısticos de las arcillas, el efecto fısico

de la muestra (tamano de la partıcula) tambien pueden afectar la presencia o ausencia de

elementos [25].

Porcentaje de concentracion ( %)

Elemento Sımbolo M1 M2 M3

Silicio Si 2,96996 1,07469 1,2358

Potasio K 3,45259 0,54891 -

Calcio Ca 1,26803 0,52819 -

Titanio Ti 5,45017 3,69133 3,21351

Hierro Fe 78,45175 90,74887 92,95783

Estroncio Sr 3,7989 - -

Zirconio Zr 4,60856 3,40798 2,59284

Tabla 3-1.: Porcentajes de concentracion para muestras de arcillas: M1, M2, M3.

La figura 3-1 representa la tendencia de elementos encontrados en las arcillas, si bien los va-

lores obtenidos por la tecnica (XRFP) son semicuantitativo, nos permite evaluar elementos

cuya concentraciones pueden ser muy bajas, que comparadas con otras tecnicas de anali-

sis convencionales no las precisa, su practico uso y el tiempo en tomar los resultados por

muestra, nos permite tener buenos resultados. La tendencia y similitud en porcentajes de

concentracion encontrados en las arcillas M1, M2 y M3 predicen caracterısticas similares,

pudiendose tratar de un mismo tipo de arcilla.

3.2 Fluorescencia de rayos X (XRF) 51

Figura 3-1.: Tendencia de elementos quımicos y porcentajes de concentracion, por la tecnica

de (XRFP) para muestra de arcilla (M1, M2 y M3) no tratadas.

3.2. Fluorescencia de rayos X (XRF)

Los resultados de la tabla 3-2 muestran los porcentajes de concentraciones de los elemen-

tos que constituye las cuatro arcillas sin tratamiento. Las arcillas presentan composiciones

parecidas (Aluminosilicatos). Los mayores valores se dan para oxidos de: Silicio, seguido del

Aluminio y Hierro. En bajas cantidades oxidos de Titanio, Potasio y Fosforo. A diferencia

de la tecnica de Fluorescencia de Rayos X Portable (XRFP). En las arcillas M2 y M3 hay

mas concentracion de oxidos de Hierro que en las demas muestras.

52 3 Analisis y resultados de las arcillas

Porcentaje de concentracion ( %)

Nombre Compuesto M1 M2 M3 M4

Silicio SiO2 68,78 52,92 47,44 85,52

Titanio TiO2 0,88 1,1 0,94 0,51

Aluminio AlO3 18,65 25,81 26,79 7,6

Hierro Fe2O3 4,0 7,79 7,65 1,96

Potasio K2O 2,05 0,19 0,29 0,16

Fosforo P2O5 0,17 0,1 0,04 0,05

Bario BaO 0,1 0,03

Azufre SO3 0,03

Magnesio MgO 0,57

Calcio CaO 0,15

Zirconio ZrO2 0,03 0,11

Vanadio V2O5 0,03

Perdidas 5,8 12,49 16,1 4,09

Tabla 3-2.: Composicion elemental de las arcillas no tratadas (M1, M2, M3 y M4.)

Dependiendo de las porcentajes concentraciones se puede indagar a que tipo de arcilla puede

corresponder las muestras trabajas. Por ejemplo la arcilla Caolinita ideal contiene un 46.5 %

de Si O2, 39,5 % de Al2O3 y 14 % de H2O [31], para el caso particular de las muestras en

este trabajo no se puede realizar una identificacion directa por composicion elemental, ya

que el elevado contenido de Silicio y presencia metales como el Hierro y el Titanio varıan las

concentraciones ideales de las muestra de arcilla, por eso se deben complementar el estudio

con mas tecnicas para la identificacion de fases presentes.

3.3 Arcilla M1 53

3.3. Arcilla M1

3.3.1. Calorimetrıa Diferencial de Barrido (DSC) y Termogravimetria

(TG)

Los resultados de los analisis por Calorimetrıa Diferencial de Barrido (DSC) se muestran

en la figura 3-2. En el termograma se evidencia un pico principal endotermico bien definido

en 121,89°C, el cual es producto de la perdida de agua higroscopica o libre, generalmente

este pico es asociado en todas las arcillas entre 100 y 130°C aproximadamente [31]. El equi-

po (DSC) utilizado solo permitio el tratamiento termico hasta un rango de temperatura de

300°C, lo cual no permitio indagar en otras reacciones propias de la arcilla.

Figura 3-2.: Termograma (DSC) mues-

tra M1 (N.T), se evidencia

un pico endotermico, que se

inicia a 96,96°C y tiene su

maximo en 121,89°C.

Figura 3-3.: Termograma (TG) muestra

M1 (N.T), se presentan dis-

minucion de peso, asociado

a perdida agua y deshidro-

xilacion respectivamente.

En la figura 3-3 se tiene el termograma obtenido con la tecnica de Termogravimetrıa (TG).

En la temperatura de 22 a 130°C se tiene una perdida de peso 2,83 % al inicial, a causa del

proceso endotermico encontrado a 12,89°C, como se indico en el capıtulo de procedimientos y

tecnicas de caracterizacion, esta muestra tenıa un peso de 18,46 mg. La perdida de peso entre

130 y 750°C es de 4,67 %. Entre 550°C y 750°C hay perdida de peso significativo, asociado

principalmente a un proceso que ocurre en las Caolinitas; se conoce como deshidroxilacion,

este se relaciona a un cambio de fase semicristalino, al final obtenemos un residuo de 16,46

mg es decir 89,19 % del peso inicial [31].

54 3 Analisis y resultados de las arcillas

3.3.2. Microscopıa Electronica de Barrido (SEM).

Las micrografıas (figuras 3-4) corresponde a la muestra de arcilla M1 no tratada. Se encuen-

tran partıculas con simetrıa iguales, subredondeadas con baja esfericidad estas se encuentran

dispersas.

Figura 3-4.: Micrografıas obtenidas mediante Microscopıa Electronica de Barrido (SEM)

para arcilla M1,con una magnificacion 100 y 5000X.

El histograma de la figura 3-5 se tomo llevando en cuenta una area de 1320 partıculas en la

arcilla M1 tratada, la frecuencia de los tamanos de diametros que se encontro estan en un

78,11 % para partıculas menores a 0.005 mm, segun el sistema internacional (USDA) ver

tabla 2-3 estan en el rango de tamano (limo – arcilla) y un 21,89 % entre 0,005 y 0,025 mm

(arena fina).

3.3 Arcilla M1 55

Figura 3-5.: Histograma para determinar diametros de partıculas para arcilla M1 tratada, la

identificacion se realiza a traves de las micrografıas para determinar el tamano

de diametro (mm).

Si bien no se obtuvo un porcentaje mayor en la fraccion arcilla. Esto se pudo presentar por

concentraciones elevadas de silicio y por el manejo de sedimentos durante la ejecucion del

protocolo para arcillas.

3.3.3. Espectroscopıa de Dispersion de Energıa de Rayos X (EDX).

La figura 3-6 muestra el espectro obtenido mediante espectroscopia de dispersion de Energıa

de Rayos X (EDX) de la muestra de arcilla M1 tratada. El analisis permite encontrar por-

centajes de concentraciones atomicas altas de Silicio, seguido de Aluminio y Hierro. En

concentraciones menore al 1,5 % elementos como Magnesio, Fosforo, Potasio, Titanio, Clo-

ro y Sodio ver tabla 3-5. Los elementos con concentraciones elevadas concuerdan con los

encontrados por (XRF) con muestra M1 no tratada.

56 3 Analisis y resultados de las arcillas

Figura 3-6.: Espectro por Espectroscopia (EDX), para muestra de arcilla M1 tratada.

M1 Porcentaje de concentracion ( %)

Elemento Sımbolo Atomica (wt %) Peso(wt %) Error (wt %)

Oxigeno O 61,46 74,71 7,48

Silicio Si 23,66 16,3 0,93

Aluminio Al 8,19 5,87 0,4

Hierro Fe 2,96 1,02 0,12

Sodio Na 1,39 1,17 0,15

Magnesio Mg 0,52 0,41 0,07

Fosforo P 0,51 0,32 0,06

Potasio K 0,5 0,25 0,05

Titanio Ti 0,5 0,2 0,04

Cloro Cl 0,32 0,14 0,04

Tabla 3-3.: Valores de las concentraciones atomicas y porcentaje en peso para M1 tratada,

se encontro Silicio como elemento con mayor concentracion.

3.3.4. Espectroscopıa de Infrarroja (IR)

En el espectro de IR de la figura 3-7, en la region de las altas frecuencias se produce una

serie de bandas de absorcion, alrededor de 3696 y 3670cm-1, debidas a vibraciones de tension

de los grupos OH de los minerales Caolınıticos. En la region del espectro entre 1300 y 300

cm-1, aparecen bandas a 1112 y 1033 cm-1 son causa de las vibraciones de tension Si-O,

se presenta un doblete a 798 cm-1 y 778 cm-1 tıpico del Cuarzo, la banda a 3620 cm-1 se

atribuye a la vibracion de OH estructurales internos [31, 33]. Las bandas 913 y 435 cm-1 se

deben a vibraciones de enlace Si-O-Al.

3.3 Arcilla M1 57

Figura 3-7.: Espectro IR M1 tratada. Figura 3-8.: Identificacion de Caolinita y He-

matita en muestra M1 tratada.

La Hematita presenta dos maximos de absorcion a 537 y 470 cm-1 ademas de una banda mas

corto alrededor de 1000 cm-1 y a 1112 y 1170 cm-1, todos ellos debido a vibraciones Fe-O

[31, 47]. El espectro exhibe una pequena banda a 1628 cm-1 que senala cierta adsorcion de

agua.

El resultado de comparacion entre patrones obtenidos por (IR) ver figura 3-8, con la base de

datos, del software Bio-Rad’s Spectral Database, determino que la arcilla M4 es Caolinita,

en la Tabla 3-9 se suministra la ficha tecnica del cotejo, este programa no determino la fase

Hematita [5].

Figura 3-9.: Ficha tecnica Muestra M1, identificado por Bio-Rad’s Spectral Database [5].

3.3.5. Difraccion de Rayos X (XRD)

El difractograma de la figura 3-10 representa la muestra de arcilla M1 no tratada, presenta

reflexiones caracterısticas del cuarzo bien definidas en (d: 4.21, 3.70, 1.80, 1.53, 1.37 y 1.36

58 3 Analisis y resultados de las arcillas

A). Las reflexiones (d: 7.10, 4.38 y 3.56 A) son propias de caolinita. Se encuentra Hematita

en las distancias 1.48 y 1.452 A. El patron encontrado con el programa X´pert para esta

muestra se encuentra en la figura 3-11.

Figura 3-10.: Difractograma arcilla M1 no tratada, fase dominante el Silicio.

Figura 3-11.: Patrones de XRD arcilla M1 no tratada.

El difractograma que corresponde a la fraccion arcilla orientada M1 se muestra en la figura 3-

12. Las reflexiones de la Caolinita han aumentado sus intensidades en especial la de 7.10 A, la

presencia de Cuarzo se mantiene pero las reflexiones son bajas en comparacion con la arcilla

no tratado. El espectro tiene las reflexiones (d: 7.10, 4.39 y 3.56 A) para la Caolinita ver

figura 3-13, el efecto del tratamiento permitio la eliminacion de oxidos de Silicio ocasionando

la intensidad del patron de la Caolinita.

3.3 Arcilla M1 59

Figura 3-12.: Difractograma fraccion arcilla, Muestra M1, presencia de Caolinita.

Figura 3-13.: Patrones de Difraccion de Rayos X (XRD) para arcilla M1 tratada.

En la figura 3-14 que corresponde a la arcilla M1 orientada con tratamiento etilenglicol, no

se presento corrimiento de la reflexion de Caolinita ( d: 7.10, 4.38 y 3.56 A) ni apariciones de

nuevos picos. Nuevamente aparecen dos reflexiones debiles de Hematita en la (d: 1.48, 1,45

A), el patron dominante es el Cuarzo.

60 3 Analisis y resultados de las arcillas

Figura 3-14.: Difractograma fraccion arcilla M1 con etilenglicol, no evidencia desplazamien-

tos de las reflexiones principales de caolinita.

La figura 3-15 corresponde a la muestra de arcilla M1 a 350°C, las reflexiones caracterısticas

de la Caolinita 7.1 y 4.38 A disminuyo sus intensidades, a bajos angulos se inicia un cambio

de estado cristalografico, se observa un ligero cambio en el difractograma a bajos angulos de

la lınea base.

Figura 3-15.: Difractograma fraccion arcilla M1 a 350◦C inicio de cambio de fase crista-

lografica, presencia de caolinita.

El cambio mas significativo del difractograma a 550°C de la muestra es la perdida de la

reflexion (d: 7.1 A), las demas presentan perdida de simetrıa y leve desplazamiento, excepto

las correspondientes a Cuarzo, la presencia de las reflexiones de Hematita (d:1.48 y 1.452 A)

se mantuvieron ver figura 3-16.

3.4 Arcilla M2 61

Figura 3-16.: Difractograma Fraccion arcilla a 550◦C= Muestra M1, a bajos angulos se

presenta fase amorfa, cambio en su estructura cristalografica.

3.4. Arcilla M2

3.4.1. Calorimetrıa Diferencial de Barrido (DSC) y Termogravimetria

(TG)

La figura (3-17) se tiene el termograma obtenido por la tecnica Calorimetrıa Diferencial de

Barrido (DSC), para la muestra de arcilla M2 sin tratar. En el se encuentra un pico en-

dotermico que comienza en 92,12 °C y se define en un pico agudo a 138,61 °C, este proceso

es asociado a la perdida de agua libre, en el rango de temperatura de 160 a 300°C no se

presentaron cambios en la muestra.

62 3 Analisis y resultados de las arcillas

Figura 3-17.: Termograma (DSC) mues-

tra M2 (N.T), se evidencia

un pico endotermico, que

se inicia a 92,12°C y tiene

su maximo en 138,61°C.

Figura 3-18.: Termograma (TG) mues-

tra M2 (N.T), en la re-

gion de temperatura 18 a

130°C perdida de 17,66 %

peso y entre 400 y 600°C

un 9,96 %.

El analisis por Termogravimetrıco (TG) ver figura 3-18 corresponde a la muestra de arcilla

M2 no tratada. En el rango de temperatura de 18°C a 1000°C tiene una perdida de peso de

32,88 % de su peso inicial. Se presentan dos regiones de la grafica donde es mas significativo

el cambio de peso; la primera de 18 a 130°C asociado a la perdida de hidratacion de la

muestra con una perdida de peso de 17,66 % y la otra entre 400 y 600°C con 9,96 % producto

de la deshidroxilacion, principalmente ocurre en arcillas tipo Caolinitas correspondiente a

un cambio de transicion [31].

3.4.2. Microscopıa Electronica de Barrido (SEM)

En las micrografıas de las figuras 3-19 de la muestra M2 fraccion arcilla obtenidas me-

diante Microscopıa Electronica de Barrido (SEM). Se encuentran partıculas dispersas, de

tamanos variados de orden menor a los 0.02 mm, se observan partıculas con baja esfericidad

subangulosas.

3.4 Arcilla M2 63

Figura 3-19.: Micrografıas obtenidas mediante Microscopıa Electronica de Barrido (SEM)

para M2 fraccion arcilla, con un magnificacion de 100 y 1000x.

El histograma de la figura 3-20, se tomo con una muestra de 719 partıculas, la frecuencia

de los diametros que se encontro son menores (<0,01mm) y obedece al 90,43 %, segun el

sistema internacional (USDA) ver tabla 2-3, estan en el rango de tamano de diametro de la

partıcula (arena muy fina y arcilla)y entre 0,01 y 0,07 mm (arena muy fina) con un 9,57 %.

Figura 3-20.: Histograma para determinar diametros de partıculas para arcilla M2 tratada,

la identificacion se realiza a traves de las micrografıas para determinar el

tamano de diametro (mm).

3.4.3. Espectroscopıa de Dispersion de Energıa de Rayos X (EDX).

La figura 3-21 muestra el espectro de la arcilla M2 tratada mediante Espectroscopia de

Dispersion de Energıa de Rayos X (EDX). La concentraciones atomicas de la muestra arrojo

64 3 Analisis y resultados de las arcillas

Aluminio con mayor presencia, seguido Silicio, Sodio y Hierro. En porcentaje menor al 4 %

Fosforo, Cloro, Magnesio y Titanio. El elemento Sodio no se habıa encontrado en ninguna

tecnica realizada para esta muestra, su valor de concentracion relativo es alto (6,8 %) para

no ser identificado, ver tabla 3-4.

Figura 3-21.: Espectro por Espectroscopia (EDX), para muestra de arcilla M2.

M2 Porcentaje de concentracion ( %)

Elemento Sımbolo Atomica (wt %) Peso(wt %) Error (wt %)

Oxigeno O 55,77 69,36 8,96

Aluminio Al 15,49 11,42 0,93

Silicio Si 11,58 8,2 0,63

Sodio Na 6,8 5,89 0,61

Hierro Fe 5,1 1,82 0,23

Fosforo P 3,24 3,08 0,21

Cloro Cl 1,03 0,58 0,09

Magnesio Mg 0,58 0,47 0,09

Titanio Ti 0,42 0,17 0,06

Tabla 3-4.: Valores de las concentraciones atomicas y porcentaje en peso para M2.

3.4.4. Espectroscopıa de Infrarroja (IR)

El espectro figura (3-22) corresponde a la Muestra M2 fraccion arcilla, la region de altas

frecuencias se producen una serie de bandas de absorcion, alrededor de los 3697, 3670 y 3621

cm-1 las dos primeras se deben a las vibracion de los grupos OH (hidroxilos libres), la banda

3.4 Arcilla M2 65

de los 3621 cm-1 se atribuye a la vibracion de OH de los minerales Caoliniticos y la banda

3452 cm-1 esta influida por moleculas de agua. En la region de las bajas frecuencia, una

banda alrededor de los 1100 cm-1 y un doblete alrededor de 1030 cm-1 son caracterısticos

de las vibraciones de enlace Si-O, en esta muestra se observan un doblete caracterıstico del

Cuarzo 794 y 778 cm-1 [31, 33].

Figura 3-22.: Espectro IR M2 tratada Figura 3-23.: Identificacion de Caolini-

ta y Hematita en muestra

M1 tratada.

El resultado de comparacion entre patrones obtenidos por (IR) (figura 3-23), con la base de

datos, del software Bio-Rad’s Spectral Database [5], determino que la arcilla M4 es Caolinita,

en la tabla 3-24 se muestra la ficha tecnica del cotejo, este programa no determino la fase

Hematita.

Figura 3-24.: Ficha tecnica Muestra M2, Bio-Rad’s Spectral Database.

3.4.5. Difraccion de Rayos X (XRD)

En el difractrograma de la figura 3-25 corresponde a la arcilla no tratada M2. Las fases

dominantes de minerales pertenecen a la Caolinita Cuarzo y Hematita, siendo Cuarzo la que

66 3 Analisis y resultados de las arcillas

presenta reflexiones mas definidas en (d:3.31, 4.23, 1.81, 1.97 y 1.38 A), la reflexiones a 7.10,

3.55 y 4.43 A son especificas de la Caolinita, ver patron asociado a la muestra figura 3-26.

Figura 3-25.: Difractograma arcilla M2 no tratada, fase dominante el Silicio.

Figura 3-26.: Patrones de XRD arcilla M2 no tratada.

El efecto del tratamiento para obtener fracciona arcilla y la muestra orientada; permitio ob-

tener una disminucion de las intensidades de Cuarzo y se muestra en las reflexiones (d: 3.31,

4.23, 181 y 1.97 A)(figura 3-27). El espectro presenta menor numero de reflexiones lo cual

permite evaluar la fase principal de Caolinita y Hemetita. La reflexion de distancia basal

(001) caracterıstica de la Caolinita tuvo un ligero desplazamiento de 7.13 a 7.16 A con res-

pecto a la arcilla no tratada. Aparecen dos reflexiones nuevas en 2.79 y 1.98 A que no estaban

definidas en el difractograma de la muestra M2 sin tratamiento, esto indica la presencia de

3.4 Arcilla M2 67

Cloruro de Sodio, este cambio se genero por el protocolo que se aplico para obtener fraccion

arcilla con el dispersarte (Hexametafosfato de Sodio), de nuevo se obtuvo la fase de Hematita

en reflexiones debiles no muy definidas a (1.69 y 1.44 A) producto de solapamiento con la

fase de Caolinita. los patrones del espectro identificado se presenta en la figura 3-28.

Figura 3-27.: Difractograma arcilla M2 orientada, presencia de Caolinita.

Figura 3-28.: Patrones de XRD fraccion arcilla M2, disminucion de las intensidades de

Cuarzo.

El difractograma de la figura3-29 corresponde a la arcilla M2 orientada tratada con etilen-

glicol, la reflexion principal de la Caolinita se mantiene en la distancias 7.13 A. Las senales

2.79 y 1.97 A que presentaba la muestra fraccion arcilla, por presencia de Cloruro de Sodio

disminuyeron ostensiblemente al igual que las de Cuarzo, las senales de Hematita a 1.48 y

68 3 Analisis y resultados de las arcillas

1.69 A se mantienen. El efecto del tratamiento con el etilenglicol sobre la muestra M2 (F.A)

permitio obtener un espectro mas definido,en el que no se evidencio la presencia de otra

arcilla.

Figura 3-29.: Difractograma muestra M2 orientada tratada con etilenglicol, no evidencia

desplazamientos de la reflexion principal de Caolinita con la solvatacion. F.A

(fraccion arcilla).

El difractograma de la figura 3-30 corresponde a la arcilla M2 con tratamiento termico a

350°C, no existe desplazamiento en el pico principal de la Caolinita en la distancias 7.16,

4.35 y 3.51 A, a bajos angulos se comienza a cambiar su estado cristalografico, este efecto

tambien se evidencio con el tratamiento termogravimetrico en el que se presentaba cambios

significativos en su peso, uno pequeno hasta los 350°C y uno mas notorio hasta los 650°C, de

nuevo aparecen los picos asociados Cloruro de Sodio y Hemetita en las mismas reflexiones.

3.4 Arcilla M2 69

Figura 3-30.: Difractograma arcilla M2 orientada a 350°C, inicio de cambio de fase crista-

lografico en bajos angulos.

Como se observa en el difractograma figura 3-31 de la muestra M2 a 550°C, la estructura

cristalografica cambio, los efectos principales es la desaparicion de la reflexiones a 7.16A

y disminucion en la reflexion 4.35 y 3.51 A debido a un estado amorfo que se presenta a

bajos angulos, esto origina una nueva fase llamada Metacaolinita [31]. Las intensidades en

la reflexiones pertenecientes a los oxidos de Hierro son mas intensas en las distancias 2.66,

2.47, 1.8, 1,68, 1.47 y 1.44 A.

Figura 3-31.: Difractograma muestra M2 a 550°C, a bajos angulos se presenta fase amorfa,

la senal de caolinita a 7,13A desaparecio.

70 3 Analisis y resultados de las arcillas

3.5. Arcilla M3

3.5.1. Microscopıa Electronica de Barrido (SEM)

Las micrografıas de la muestra M3 orientada se presenta en las figuras 3-32. Se observan

partıculas con baja esfericidad subangulosa, las partıculas estan dispersas, con presencia de

varios tamanos de partıculas. Las imagenes fueron adquiridas en una amplificacion de 100 y

5000X.

Figura 3-32.: Micrografıas obtenidas mediante Microscopıa Electronica de Barrido (SEM)

para arcilla M3,con una magnificacion 100 y 1000X.

En la figura 3-33 se presenta el histograma realizado a la arcilla M3 tratada, la muestra

tomada es 1216 partıculas. La frecuencia de los diametros que se encontro estan en el rango

de 0,002 mm con un 41,64 % es arcilla, entre (0,002 y 0,020 mm) es de 58,3 % es de limo

y arcilla, la referencia de tamanos de diametro se tomo del sistema internacional (USDA)

ver tabla 2-3. Un buen resultado logrado a traves del protocolo para sedimentar particulas,

permitiendo lograr un mejor estudio para su identificacion.

3.5 Arcilla M3 71

Figura 3-33.: Histograma para determinar diametros de partıculas para arcilla M3 tratada,

la identificacion se realiza a traves de las micrografıas para determinar el

tamano de diametro (mm).

3.5.2. Espectroscopıa de Dispersion de Energıa de Rayos X (EDX)

En la tabla 3-5 se presentan los elementos y porcentajes de concentracion en peso y atomico

para la arcilla M3 tratada. Los elementos con concentraciones mayores son: Silicio, Aluminio

y Hierro. Porcentajes de concentracion atomica entre 5 y 1 %; Cloro, Fosforo y Sodio. La

figura 3-6 muestra el espectro obtenido mediante espectroscopia de dispersion de Energıa

de Rayos X (EDX).

Figura 3-34.: Espectro por Espectroscopia (EDX), para muestra de arcilla M3.

72 3 Analisis y resultados de las arcillas

M3 Porcentaje de concentracion ( %)

Elemento Sımbolo Atomica (wt %) Peso(wt %) Error (wt %)

Oxigeno O 47,15 62,62 5,8

Silicio Si 20,06 15,18 0,74

Aluminio Al 15,6 15,28 0,65

Hierro Fe 6,96 2,65 0,2

Sodio Na 4,14 3,83 0,3

Cloro Cl 2,81 1,68 0,12

Fosforo P 1,18 0,81 0,09

Titanio Ti 0,65 0,29 0,06

Estroncio Sr 0,45 0,11 0,1

zirconio Zr 0,43 0,1 0,13

Magnesio Mg 0,41 0,36 0,06

Potasio K 0,17 0,09 0,04

Tabla 3-5.: Valores de las concentraciones atomicas y porcentaje en peso para M3.

3.5.3. Espectroscopıa de Infrarroja (IR)

La muestra M3 figura 3-35 presenta un espectro (IR) caracterıstico de Caolinitas ya que

presentan bandas dominantes de este material a 3623 y 3650 cm-1 ocasionados de las vibra-

ciones de tension de los grupos OH de los minerales Caoliniticos. En las regiones 1100 y 300

cm-1 aparecen unas bandas a 1100 y 1035 cm-1 debidas a las vibraciones de tension de Si-O,

presenta una banda 1639 cm-1 principalmente al agua retenida en la muestra, se observa un

doblete a 794 y 744 cm-1 tıpico del cuarzo.

Se presenta Hematita en la banda de absorcion a 534 y 467 cm-1, una banda corta 1009

cm-1 y hombros a 1118 cm-1 estas se dan por vibraciones de Fe-O [31, 47].

3.5 Arcilla M3 73

Figura 3-35.: Espectro IR M3 Figura 3-36.: Identificacion de Caolinita

en muestra M3 tratada.

El resultado de comparacion entre el patron obtenidos por (IR) ver figura 3-36, con la base

de datos, del software Bio-Rad’s Spectral Database, determino que la arcilla M4 es Caolinita,

en la tabla 3-37 se suministra la ficha tecnica del cotejo, este programa no determino la fase

Hematita [5].

Figura 3-37.: Ficha tecnica muestra M3 tratada, Bio-Rad’s Spectral Database [6].

3.5.4. Difraccion de Rayos (XRD)

La Figura 3-38 corresponde al difractograma obtenido con la arcilla M3 no tratada. Se

presenta ruido en la base del patron de la muestra, existen dos reflexiones principales de

Cuarzo (d: 421 y 3.31 A), tambien aparecen las senales caracterısticas de Caolinita en (d: 7.01,

4.40, 4.18 y 3.91 A). El patron encontrado con el programa X’pert (figura 3-39) corresponde

a Cuarzo Hematita y Caolinita.

74 3 Analisis y resultados de las arcillas

Figura 3-38.: Difractograma arcilla M3 no tratada, fase dominante el Silicio.

Figura 3-39.: Patron obtenido despues del cotejo con la base de datos (ICDD) [7] para

arcilla M3 no tratada.

El difratograma de la figura 3-40 representa la muestra M3 tratada, las reflexiones estan

bien definidas en simetrıa y intensidad. La reflexion de Cuarzo 4.21 A que aparece en la

arcilla M3 sin tratar desaparecen, las otras senales de Cuarzo disminuyeron en intensidad,

debido al protocolo que se aplico, la Hematita aparecen en muy bajas intensidades.

3.5 Arcilla M3 75

Figura 3-40.: Difractograma Fraccion arcilla, Muestra M3 tratada, fase de Caolinita y

Cuarzo.

El difractograma de fraccion arcilla muestra M3, aparecen tres nuevas reflexiones, estas

corresponden a Cloruro de Sodio (d: 2.79, 1.98 y 1.611 A), consecuencia del tratamiento con

el dispersante, ya que al obtener la fraccion arcilla el compuesto no desaparecio. Nuevamente

tenemos las senales de la Caolinita en las senales (d: 7.01, 3.57, 2.38 y 1.78 A).

Figura 3-41.: Patrones de (XRD) arcilla tratada M3.

El efecto de etilenglicol sobre los orientados de la muestra M3, no afecto las reflexiones de

la Caolinita, ver figura 3-42. Estas se mantienen en las mismas distancias, principalmente

la senal 7.01 A d(001) caracteristica principal para la identificacion por (XRD) de arcilla

Caolinita [48]. No se presentaron las reflexiones Cloruro de Sodio.

76 3 Analisis y resultados de las arcillas

Figura 3-42.: Difractograma Fraccion muestra M3 con etilenglicol, no evidencia desplaza-

mientos de la reflexion principales de Caolinita 7.01 A.

Los efectos del primer tratamiento termico a la arcilla M3 orientada a 350°C; es la disminucion

de las intensidades de las reflexiones principales de la Caolinita, tambien se dio un ligero

desplazamiento de la reflexion principal 7.01 a 6.8 A ver difractograma figura 3-43. Las

senales correspondientes a Cloruro de Sodio se mantienen bien definidas.

Figura 3-43.: Difractograma arcilla M3 orientada a 350◦C inicio de cambio de fase crista-

lografico, disminucion de las senales de Caolinita.

El difractograma de la figura 3-44 que corresponde a la muestra M3 orientada con trata-

miento termico a 550°C, presenta a bajos angulos un cambio en el estado cristalografico este

se vuelve amorfo, la reflexion principal de Caolinita 7.01 A desaparecio, el cambio crista-

lografico sugiere la aparicion de una nueva fase llamada Metacaolinta, el patron encontrado

3.5 Arcilla M3 77

por el x’pert sugiere la Hematita como patron principal, pero es difıcil saber si corresponde

por el estado amorfo de la arcilla ya que desplaza las reflexiones del difractograma.

Figura 3-44.: Difractograma arcilla M3 orientada, a bajos angulos se presenta un cambio

en su estructura cristalografica.

78 3 Analisis y resultados de las arcillas

3.6. Arcilla M4

3.6.1. Microscopıa Electronica de Barrido (SEM)

Las figuras 3-45 se muestran las micrografıas obtenidas por (SEM) para la arcilla M4 tra-

tada, en estas se observa dos formas de partıculas las mas grandes subredondeado con baja

esfericidad y las mas pequenas redondeadas con baja esfericidad, las partıculas se encuentran

dispersas. Las imagenes fueron adquiridas en una amplificacion de 100 y 1000X.

Figura 3-45.: Micrografıas obtenidas mediante Microscopıa Electronica de Barrido (SEM)

para arcilla M4 tratada.

El histograma (figura 3-46) se tomo con una muestra de 931 partıculas. Con un 37.64 %

partıculas de diametro <0,002 mm estan en el rango de (fraccion arcilla), entre 0,020 y 0,002

mm un 62,36 % (fraccion limo), segun el sistema USDA.

3.6 Arcilla M4 79

Figura 3-46.: Histograma para determinar tamano de partıculas en la arcilla M4 tratada,

la identificacion se realiza a traves de las micrografıas obtenidas por (SEM).

3.6.2. Espectroscopıa de Dispersion de Energıa de Rayos X (EDX).

La figura 3-47, se presenta el espectro por espectroscopia (EDX) para la muestra M4 tra-

tada. Los elementos constituyentes con mayor concentracion son: Aluminio, Silicio y Sodio.

Porcentajes menores al 3 % como el Hierro, Fosforo y cloro. Con una composicion menor a

1 % aparecen Zirconio, Potasio, Titanio y Estroncio ver tabla 3-6.

Las muestras de arcilla (M1 y M4) son las que presentan menor concentracion atomica

para el Hierro. El incremento de composicion de Sodio en las muestras de arcillas tratadas,

se dio por no haberse lavado las muestras con agua destilada en el momento de obtener la

fraccion arcilla, esto permitio que no se retirara la presencia del dispersante con hexameta-

fosfato de sodio, pero como se explico las muestras obtenidas despues del protocolo era muy

poca.

80 3 Analisis y resultados de las arcillas

Figura 3-47.: Espectro por Espectroscopia (EDX), para muestra de arcilla M4.

M4 Porcentaje de concentracion ( %)

Elemento Sımbolo Atomica (wt %) Peso(wt %) Error (wt %)

Oxigeno O 55,57 69,06 7,73

Aluminio Al 15,64 11,52 0,8

Silicio Si 13,01 9,21 0,6

Sodio Na 7,08 6,12 0,55

Hierro Fe 2,97 1,06 0,15

Fosforo P 2,28 1,46 0,14

Cloro Cl 2,06 1,15 0,12

Zirconio Zr 0,88 0,19 0,09

Potasio K 0,24 0,12 0,05

Titanio Ti 0,2 0,08 0,05

Estroncio Sr 0,06 0,01 0,1

Tabla 3-6.: Valores de las concentraciones atomicas y porcentaje en peso para M4.

3.6.3. Espectroscopıa de Infrarroja (IR)

El espectro obtenido por espectroscopıa infrarroja (IR) se encuentra en la figura 3-48 para

la arcilla M4. Se presenta una banda de absorcion de agua en la region de 1653 cm-1. La

Hematita presenta un doblete de intensidades a 537 y 467 cm-1, una banda corta a los 993

cm-1 y un hombro a los 1120 cm-1, todas consecuencias de las vibraciones de Fe-O [31, 47].

3.6 Arcilla M4 81

Figura 3-48.: Espectro IR para mues-

tra de arcilla M4, presen-

ta caolinita en el doblete

3697 y 3621 cm-1.

Figura 3-49.: Patron para muestra M4

tratada, composicion de

Caolinita.

Se presenta Caolinita en las regiones de frecuencia 3697 y 3621 cm-1, una banda de absorcion

alrededor de los 369 cm-1 y un pequeno pico a los 3675 cm-1 pertenecen a las vibraciones

de OH [31]. La banda 3440 cm-1 es asociada a las moleculas de agua, el doblete 1033 y 1000

cm-1 son caracterısticos de las vibraciones del enlace Si-O, las bandas 798 y 778 cm-1 son

tipicas de cuarzo [32, 33].

El resultado de comparacion entre patrones obtenidos por (IR), con la base de datos, del

software Bio-Rad’s Spectral Database se muestran en la figura 3-49. El patron que se ajusta

a muestra de arcilla M4 tratada es Caolinita, en la tabla 3-50 se suministra la ficha tecnica

del cotejo. [5].

Figura 3-50.: Ficha tecnica muestra M4 tratada, Bio-Rad’s Spectral Database [5].

3.6.4. Difraccion de Rayos X, M4

El difractograma de la muestra M4 (figura 3-51. La fase dominante es el Cuarzo y se muestra

en las reflexiones (d: 3.30, 2.44, 2.26, 1.81A), a bajos angulos se presenta una reflexion de

82 3 Analisis y resultados de las arcillas

6.9 A. En la figura 3-52 esta el patron que mejor se ajusta a la muestra de arcilla, este

corresponde a la fase de Cuarzo.

Figura 3-51.: Difractograma arcilla M4 no tratada, fase dominante el Silicio.

Figura 3-52.: Patrones de XRD arcilla M4 no tratada.

Se observa un gran cambio en el patron de difraccion de la muestra M4 orientada, ver

Figura 3-53. Presenta mayor simetrıa en las reflexiones, aparecen los picos de Caolinita

en las reflexiones (d: 6.9, 4.35 y 3.49 A) estas aumentaron de intensidad al contrario a lo

que sucede con las de Cuarzo. En el rango de 5 a 50°C el difractograma presenta una leve

elevacion. De nuevo en el difractograma aparecen las senales de Cloruro de Sodio en (d: 2.76

y 1.97 A). En la figura 3-54 se encuentra el patron obtenido de la muestra M4 orientada.

3.6 Arcilla M4 83

Figura 3-53.: Difractograma muestra M4 orientada, presencia de Caolinita.

Figura 3-54.: Patrones de (XRD) arcilla M4 orientada.

El difractograma de la figura 3-55 corresponde a la arcilla M4 orientada con tratamiento de

etilenglicol, en el se observa un ensanchamiento en las bases de la reflexiones. Se mantienen

las senales de Caolinita (d: 6.87, 4.25 y 22.044 A) y las de Cloruro de Sodio, esta ultima

en mas baja proporcion. Las senales de Hematita son difıciles de distinguir en el espectro

debido a la poca concentracion de oxidos de Hierro.

84 3 Analisis y resultados de las arcillas

Figura 3-55.: Difractograma muestra M4 orientada con tratamiento de etilinglicol, no evi-

dencia desplazamientos de la reflexion principal de caolinita.

El difractograma de la figura 3-56 corresponde a la primera rampa de temperatura de 350°C

para la muestra M4 orientada. Las reflexiones de caolinita a parecen en las mismas distancias

basales, lo que si se presenta es una disminucion en sus intensidades (d: 6.87, 4.33 y 3.57

A). El difractograma presenta picos con menos simetrıa, las senales de Cloruro de Sodio se

mantienen.

Figura 3-56.: Difractograma muestra M4 a 350◦C inicio de cambio de fase cristalografica,

presencia de caolinita.

En el difractograma obtenido para la muestra M4 orientada con temperatura 550°C (figura

3-57), se presenta un cambio en la zona de 5 a 40° donde estan reflexiones de la caolinita en

el que se observa un estado amorfo, este proceso cambia la fase de la caolinita dando paso a

3.6 Arcilla M4 85

una nueva, es visisble este cambio al desaparecer la reflexion de caolinita a 6.87A. Se hace

visible la fase de Hemetita en el cambio cristalografıco.

Figura 3-57.: Difractograma muestra M4 orientada a 550◦C, a bajos angulos se presenta

fase amorfa, cambio en su estructura cristalografica.