Arcillas y minerales arcillosos

A los filosilicatos se les suele denominar minerales arcillosos. Las arcillas son en realidad sistemas heterogéneos con múltiples componentes y con varias fases. Son rocas, y como tales no tienen una composición definida. Sin embargo, la especie mayoritaria de las arcillas siempre son los filosilicatos y por eso se les denomina “minerales arcillosos”.

En realidad, en las arcillas hay una fase gaseosa, otra líquida y otra sólida que es la mayoritaria. Los componentes de la fase sólida pueden ser cristalinos y amorfos,  orgánicos e inorgánicos. Los inorgánicos cristalinos  representan el 95% de la fase sólida, y los aluminosilicatos son con diferencia los más mayoritarios, presentándose con tamaños de partícula muy pequeños. Además de los aluminosilicatos podemos encontrar otros compuestos, a los que se les denomina desgrasantes, como carbonatos (calcita, dolomita, etc..), óxidos (sílice, hematite, ..), hidróxidos (gibbsita, brucita, limonita,..), sulfatos (yeso), fosfatos,…

A todos los compuestos de la arcilla que no son minerales arcillosos (filosilicatos), se les suele considerar como impurezas. Las impurezas podemos encontrarlas como granos separados o como capas o películas adheridas a los granos de las arcillas y se necesitará realizar algún tratamiento químico para limpiar y eliminar dichas impurezas. Pero el concepto de “impureza” es muy relativo ya que, realmente, lo que interesa es eliminar aquellas impurezas que nos molesten para el uso que vamos a hacer de la arcilla. 

Si queremos utilizar arcillas blancas, necesitaremos blanquear por medios químicos las arcillas y caolines naturales, para eliminar colorantes como óxidos de hierro, manganeso, etc… Si queremos una arcilla refractaria, los fundentes, como el feldespato, serán la impureza que hay que eliminar.  Pero si queremos una porcelana blanca, el feldespato será bienvenido y lo que tendremos que eliminar son los colorantes como los óxidos de hierro. Si queremos hacer ladrillos, no nos molestará el feldespato (a la temperatura que se cuece un ladrillo el feldespato es inerte) y tampoco el óxido de hierro (los ladrillos tienen color rojo), pero el yeso,  la caliza y los sulfuros deberán ser eliminados porque pueden producir defectos como eflorescencias y costras de carbonato de calcio. Por otro lado, las impurezas de ciertas arcillas naturales son las que imprimen valor y carácter distintivo a los trabajos realizados con ellas, haciendo que sean muy apreciadas. 

Dentro de los aluminosilicatos de las arcillas la mayoría son filosilicatos. Las arcillas rojas o arcillas comunes suelen contener una mezcla de distintos filosilicatos aunque suelen estar en mayor proporción  minerales del grupo de las micas (ilitas,  moscovitas, etc.) y en menores proporciones los de los grupos del caolín, cloritas, esmectitas y hormitas. La presencia de desgrasantes, como el cuarzo, los carbonatos, etc., y sus diferentes tamaños de grano hace que sus propiedades cerámicas sean muy variadas, tendiendo hacia plasticidades altas y temperaturas de maduración inferiores a los 1100°C. Las arcillas comunes suelen llevar hierro dándoles el característico color rojizo, marrón o amarillento.

Caolinita

La caolinita se encuentra como base para la gran mayoría de arcillas. En las llamadas arcillas comunes o arcillas rojas su presencia suele ser minoritaria, pero en las arcillas blancas (caolines, haloisitas y arcillas refractarias) su presencia es mayoritaria.  Con la caolinita se preparan las pastas de porcelana, gres y loza. También se emplea en la preparación de muchos vidriados y se añade en muchas pastas ya sea en su forma más pura (caolín) o mediante las llamadas arcillas de bola (Ball clays). 

Las rocas que son ricas en caolinita son conocidas como caolín o arcilla de China. ​ La palabra caolín se deriva del nombre chino de la montaña Kao-Ling shan, ubicada a 50 km al sureste del pueblo de Jingdezhen, provincia de Jiangxi, China. En inglés se denomina China Clay.
El término  caolín es aplicado  a rocas  principalmente  compuestas  por  caolinita  (en algunos  casos  haloisita) cuando la caolinita se puede separar fácilmente de otros minerales. Cuando las rocas son arcillosas y la separación del caolín no es fácil, aunque tenga un alto contenido, se las denomina “arcillas caoliníferas”  o “arcillas refractarias”. Las  arcillas  caoliníferas  son  materiales  de  uso  directo  en  la industria,  mientras  que  para obtener caolines  es necesario realizar procesos previos, limpiando impurezas y aislando las partículas más finas,  para  incrementar  las  propiedades  deseadas.  

Hay dos tipos de caolinitas que se denominan ordenada y desordenada. En la caolinita, dependiendo del desplazamiento entre sus láminas se producen pequeños desórdenes cristalográficos y por eso tenemos caolinitas desordenadas y ordenadas, dependiendo de los ángulos de enlaces entre láminas.

La caolinita desordenada es un mineral de arcilla que ha sido sometido a sustitución isomorfa. Pertenece al subgrupo de caolines/serpentinas y su estructura cristalina es del tipo 1:1 TO, siendo la capa octaédrica del tipo “di-octaédrica”. Ambas  capas unidas forman  una  lámina continua de 7,14 Å de  espesor. 

Estas  láminas  se unen  y apilan mediante  enlaces de  hidrógeno  entre los  grupos  OH  de  la  capa  octaédrica  y  los  átomos  de  oxígeno de  la  capa  tetraédrica.  

Su fórmula ideal es Al2O3•2SiO2•2H2O, siendo su fórmula  estructural Al2Si2O5(OH)4 y su composición centesimal SiO2=46,53 %, Al2O3=39,49 % y H2O=13,98 %.  

Debido al isomorfismo, alrededor de uno de cada diez átomos de aluminio se sustituyen por hierro o, en menor medida, titanio; y alrededor de uno de cada cincuenta átomos de silicio se sustituyen por aluminios. La falta de equilibrio resultante se compensa por magnesio u otros átomos divalentes que se acoplan en los huecos de la capa de sílice.

Por otro lado, la caolinita tiene dos polimorfos que se denominan nacrita (de nácar) y dickita. Los diferentes  polimorfos  de  la  caolinita  se  distinguen  en función  del  enlace  entre  las  láminas.  En  la dickita  hay tres  grupos OH que participan en la unión de las láminas, y  en la  nacrita  sólo  dos OH forman  un  enlace  de  hidrógeno (el tercer grupo de OH  exhibe un enlace débil).  Estas  diferencias  entre  los  enlaces  de  hidrógeno  tienen  consecuencias  cristalográficas,  de  tal forma  que  las  láminas  están  desplazadas  entre  sí, y además en cada polimorfo se apilan un número distinto de láminas.

En  la  naturaleza  se  presenta  otra  especie  mineral afín  a la caolinita que es la haloisita que posee la  misma  composición que las caolinitas, pero tiene una estructura en la que  existe una  capa  de  moléculas  de  agua  interlaminar  por celda unidad. Calentando  a 100°C  este  agua  se  pierde  y  la  composición pasa  a  ser la  de  una  caolinita.

El cristal de la caolinita desordenada está distorsionado y, en consecuencia, no es tan compacto como otros cristales de la misma especie. El resultado es una estructura más débil, no solo en el interior del cristal, sino también en las partículas del mineral. A diferencia de la caolinita ordenada, que forma grandes partículas de formas regulares, la caolinita desordenada presenta formas y agregados bastante aleatorios. El agua de los elementos puede penetrar más fácilmente en su estructura para romperla hasta un tamaño muy fino que forma arcillas muy plásticas.

Los tipos de arcillas cuyo componente principal es la caolinita desordenada son los siguientes:

  • Caolín: Como se ha comentado anteriormente, se trata de caolinita “pura” (con pocas impurezas). Se utiliza para aportar plasticidad a una pasta cerámica o para formular vidriados. Los caolines para plastificar se parecen a la arcilla de bola pero no son capaces de aportar toda la plasticidad necesaria, por lo que deben mezclarse con otras arcillas (bentonita o arcilla de bola). Es el material ideal cuando se pretende obtener cerámica blanca y limpia. Sus partículas son más grandes que las de la bentonita y la arcilla de bola, por lo que la mezcla entre ellas mejora la plasticidad. Es muy refractario, es más permeable al paso del agua, seca más rápido y acelera el proceso de cocción comparado con bentonita y arcilla de bola. También se emplea como suspensivo en la preparación de vidriados.
  • Arcillas de Bola: Las caolinitas desordenadas, sometidas al proceso de intemperización y transporte forman algunas arcillas muy plásticas como, por ejemplo, la arcilla de bola (Ball Clay). Se trata de una arcilla que adquiere un color crema al cocerse y que es bastante refractaria. En su composición hay caolín con mica y cuarzo, aunque puede haber ciertas diferencias ya que hay cientos de arcillas de bola. Su nombre deriva del método de minería inglés consistente en cortar la arcilla en cubos o bolas. Son arcillas muy plásticas con granos más finos que el caolín. Al igual que la bentonita, es impermeable al paso del agua, tarda mucho en secar y merma considerablemente (hasta un 20%). Se usan en la realización de pastas cerámicas aportando plasticidad para mezclas de alta temperatura (por ejemplo para porcelanas) mezclando un 25% de arcilla de bola con caolín, feldespato y sílice. También se utiliza mucho para preparar pastas refractarias. La arcilla de bola puede ser defloculada con Silicato de Sodio o con otros defloculantes. Nunca se usa sola, siempre es una arcilla auxiliar y se suele mezclar con chamota para bajar su plasticidad. En los vidriados se utiliza esta arcilla como suspensivo.
  • Fireclays: Las llamadas Fireclays son  arcillas  compactas  más  o  menos  plásticas que contienen óxidos de hierro que impiden  la cocción blanca,  pero al igual que  las “Ball Clay”, la caolinita  desordenada  es el  mineral mayoritario. 

 Por otro lado, las arcillas compuestas por caolinita ordenada, de cristales muy resistentes, son de naturaleza menos plástica y más refractaria.

  • Flint Clays: Las llamadas “Flint Clays” (caolín pétreo) son arcillas masivas  y duras, carentes de plasticidad. Su   componente  mayoritario  es  la  caolinita  muy  ordenada  y  bien  cristalizada, con pequeño  tamaño  de  partícula.  Su campo  principal de  aplicación  es la fabricación  de  refractarios  sílico-aluminosos. 
  • Underclays: Las llamadas “Tonsteins” o “Underclays” (denominación  usada  en  centroeuropa), son un tipo de roca similar en sus propiedades  físico-químicas  y  mineralógicas  a  las “Flint  Clays”, aunque se trata de rocas volcánicas estratificadas en ciertas cuencas  hulleras. 

El término  “arcillas refractarias” en algunos documentos de cerámica es  equivalente a Fireclays. Sin embargo, este término  induce  a  confusión  ya  que  el  carácter  refractario es  común  a  todas  las  arcillas  caoliníferas,  aunque  no todas  se emplean  en  la industria  con  esa  finalidad. 

Las llamadas “arcillas refractarias” son materiales arcillosos con alto contenido en alúmina que se someten (o no) a un tratamiento térmico de calcinación y que contienen un porcentaje bajo de impurezas. Desde este punto de vista el caolín, la arcilla de bola, las fireclays, las flint clays, etc… pueden considerarse “arcillas refractarias”, especialmente si se calcinan. Lo importante del concepto “arcilla refractaria” es el alto contenido en alúmina (entre un 30% y un 45%) y el bajo contenido en hierro y alcalinos. 

También se denominan impropiamente como “arcillas caoliníferas” otros materiales que no están basados en caolinita, debido a que son refractarios.  En  algunos  casos  contienen  pequeños  y  variables porcentajes  de  caolinita,  en  otros  ni siquiera  está  presente.  Así  ocurre con  las “Arcillas aluminosas”  que  son  materiales  plásticos  con un  contenido  en  alúmina  superior  al 60%, pero  compuestas fundamentalmente  por  hidróxidos  de  aluminio  libres  y  caolinita. Otro  ejemplo  son  las Pizarras  alumínicas o  «sericitas», que  tienen  carácter  refractario  y  son  buenas  materias  primas  cerámicas, pero  en  las que  la  caolinita  puede  estar  ausente  en  favor  de  otros  minerales ricos en alúmina, como  la  pirofilita.

El  uso  de  arcillas  para  refractarios  ha  disminuido  y actualmente se utilizan más los refractarios  basados  en magnesia  de  alta  pureza. Los refractarios  usados  en  accesorios para hornos se suelen basar en cordieritas.  Estos son producidos  a  partir de  caolín  y  talco.

Hay  tres  tipos  principales  de pastas cerámicas blancas  compuestas por  caolín, ball clay, sílice y  un  fundente,  que  es  normalmente  feldespato  (potásico  para porcelanas,  o sódico para  pavimentos  y revestimientos  o  sienita nefelina): Loza, Porcelana, y Gres.

Aproximadamente  las  composiciones  medias  son las  siguientes: 

  • Earthenware o loza: caolín 25%, ball clay 25%, sílice 35% y fundente 15%. Tienen  esta  composición  azulejos  y  sanitarios. 
  • Chinaware o porcelana: se puede  subdividir  en  porcelana,  porcelana  de  huesos  y  porcelana  vítrea.  La  porcelana  consiste  en  caolín 60%, ball clay 10%, sílice 15%, fundente 15%. La porcelana  de  huesos  tiene  en  su composición  caolín 25%, ceniza de huesos 50%, fundente 25%. La porcelana  vítrea  está  compuesta  por  caolín 20-30%, ball clays 20-30%, sílice 30-40%, fundente 15-25% y talco 0-3%.

Las llamadas “Porcelanas eléctricas” (compuestas  por  caolín 20%, Ball clay 30%, sílice 20% y fundente 30%) se utilizan como aislantes eléctricos..

  • Stoneware o gres: arcillas  plásticas  con  caolín 50%, ball clay 20%, feldespatos 20% y  sílice 10%.

Montmorillonita (Bentonita)

Este filosilicato del subgrupo de las Esmectitas es el componente principal de la arcilla llamada Bentonita que es muy plástica. Proviene de la descomposición de cenizas volcánicas y se caracteriza por su pequeño tamaño de partícula. Su nombre proviene de su principal yacimiento que está en Fort Benton (USA).

La Montmorillonita es un filosilicato con estructura TOT con hojas dioctaédricas en las que parte de los cationes de aluminio han sido sustituidos por cationes de magnesio, de forma que se produce una descompensación en la carga que obliga a que se enlacen cationes alrededor de las capas para neutralizar dicha carga negativa. Puede contener sodio, potasio, etc…, aunque la Bentonita utilizada en cerámica es sódica. El hecho de tener partículas extremadamente pequeñas es lo que provoca que sea muy plástica. 

La distancia entre las capas apiladas TOT de la Montmorillonita puede expandirse porque los enlaces con cationes son muy débiles, de forma que este filosilicato es capaz de expandirse mucho absorbiendo agua entre sus capas, y por eso la arcilla llamada bentonita tiene mucha dilatación al mezclarse con agua (su volumen con agua se multiplica por 15) y mucha contracción o merma en el secado por lo que siempre se agrieta.

Es muy difícil deflocular la bentonita, por lo que no se puede utilizar en coladas ni en engobes como arcilla principal.

La Bentonita se usa en cerámica:

  • Como suspensivo para vidriados pero nunca sola sino como arcilla auxiliar. Siempre hay que tener cuidado de no añadir demasiada bentonita porque podría causar craquelados en el vidriado. También favorece la tixotropía.
  • También actúa como aglutinante en pastas cerámicas produciendo una masa más densa con más puntos de contacto entre partículas

Al tener contenido en hierro, es considerada como arcilla sucia ya que mancha si la mezclamos con arcillas blancas. Añadiendo tan solo un 2% de bentonita a las porcelanas se logra que la mezcla sea muy moldeable sin que se aprecie casi variación en la blancura. En ciertas mezclas se llega hasta el 5% de bentonita mezclada con otras arcillas.

Talco

El talco (ver Talco )  es un filosilicato de magnesio con estructura TOT y hojas tri-octaédricas de magnesio. Forma parte de los llamados minerales arcillosos, junto a las arcillas. Sin embargo, el magnesio, dentro de la cerámica, actúa como fundente, mientras que el aluminio de las arcillas es un estabilizante. El talco es una de las materias primas fundamentales fundentes. Su fórmula es:

3MgO·4SiO2·H2O, PM: 379,3.

La fórmula es una idealización que no contempla cierta cantidad de calcio, alúmina y hierro que suelen estar presentes. Dos variedades minerales similares son la esteatita y la piedra jabón.

No confundir con talco de perfumería a base de fécula.

En las pastas cerámicas es un fundente, menos enérgico que el carbonato de calcio, para pastas de baja y alta temperatura.

Puede ser el único fundente de la pasta cerámica (hasta el 30% de la mezcla), al contrario que los feldespatos y carbonatos de calcio que siempre deben estar en mezcla con otros fundentes. En pastas para tornear se le incluye mezclado con cuarzo y feldespato.

Su función fundente comienza a 1000ºC y no promueve deformaciones en el horno.

Suele contener trazas de sulfatos por lo que no debe incluirse en las coladas para moldes.

Proporciona a la pasta buena adaptabilidad con vidriados, y alta resistencia al choque térmico. Ideal para esmaltado en monococción.

A veces se añade a la pasta cerámica por su efecto catalizador en la formación de cristobalita a partir de la sílice libre, que se usa para evitar el craquelado de los vidriados sobre tal pasta.

El talco actúa como catalizador en baja temperatura, por lo cual tiene sentido añadirlo en cerámica de baja y media temperatura, y como fundente en alta temperatura.

Por su resistencia al choque térmico se utiliza en cuerpos de alta que vayan a tener contacto directo con el fuego. Estos cuerpos forman cordierita durante la cocción, que es un silicato de fórmula ideal 2MgO·2Al2O3·5SiO2 muy refractario.

El talco se descompone a 900ºC en óxido de magnesio, sílice y agua y su uso es común para producir vidriados mates y opacos, sobre todo en alta temperatura.

Illita 

Del resto de filosilicatos cabe destacar la Illita que pertenece a la subclase de las micas y que tiene una fuerte presencia en las arcillas comunes o secundarias.

Si bien la Illita suele ser el mineral arcilloso en mayor proporción en las arcillas comunes, el resto de micas, y las Vermiculitas, Cloritas y  Sepiolita (subclase Hormitas), junto a la caolinita,  también están presentes pero en cantidades menores. 

Las illitas, típicas de pastas de arcillas rojas secundarias y terracotas, tienen una composición muy variable, aunque suele utilizarse como fórmula típica la illita de mica no hidratada moscovita, es decir K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O que corresponde a una relación sílice-alúmina igual a la de la caolinita, aunque con menores pérdidas en calcinación y una cantidad apreciable (11,8 %) de óxido de potasio. Las illitas pueden presentar también óxidos de hierro en un amplio rango de concentraciones (hasta un 8 % en peso) y láminas de esmectitas intercaladas. Se trata de una estructura menos estable que la de la caolinita, ya que presenta sustituciones de alúmina por sílice y presencia de potasio (en las caolinitas hay muy pocas sustituciones). Las illitas son, por tanto, más fundentes que las caolinitas.

Esquistos

Los esquistos son un grupo de rocas en las que predominan los minerales laminares, los cuales son más del 50% de su composición, junto a cuarzo y feldespato.. Hay esquistos metamórficos y sedimentarios. 

En los esquistos metamórficos predominan la mica, la clorita, el talco, anfíboles y grafito, combinados con cuarzo. El origen de los esquistos metamórficos fueron arcillas y lodos que se transformaron por la presión pasando a convertirse en pizarras y filitas primero y en esquistos después. Otros esquistos metamórficos proceden de basaltos y tobas. La mica es el mineral predominante en casi todos los esquistos. Los esquistos sedimentarios, también se llaman esquistos arcillosos y son rocas de grano fino caracterizadas por su laminación, procedentes de esquistos metamórficos que han sufrido meteorización.

Las pizarras y las filitas son, por tanto, esquistos. Las pizarras se emplean mucho en cerámica para formar pastas expansivas mediante la mezcla de harina de pizarra con arcillas plásticas. También se emplean para realizar vidriados.

Otros minerales arcillosos (Micas, Vermiculitas, Cloritas, y Sepiolita)

Las micas presentes en las arcillas facilitan la vitrificación de la misma. La moscovita es una mica potásica con fórmula aproximada K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O. La biotita contiene hierro y magnesio pero su composición es variable, es de color oscuro.

En las arcillas comunes o secundarias, además de illita se encuentra una mezcla de micas, vermiculitas, cloritas y  sepiolita, junto a la caolinita.

La Sepiolita (Sepiolite) de fórmula 3MgO·4SiO2·5H2O, es un filosilicato de magnesio similar al talco que puede utilizarse como fundente para las porcelanas. 

Históricamente, la Sepiolita se utilizó en la fábrica de cerámica del Buen Retiro de Madrid para realizar  una pasta de porcelana ya que no se disponía de caolín. En Vallecas está una de las minas más grandes del mundo de Sepiolita, por lo que la “tierra de Vallecas” se convirtió en la base de la porcelana de Madrid.

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