arcillas expansivas articulo
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RESUMEN SOBRE ARCILLAS EXPANSIVAS,
ARCILLAS DISPERSIVAS E HIDRÁULICA DE SUELOS
A continuación presentamos unos temas para refrescar conocimientos:
ENSAYOS PARA LA CLASIFICACIÓN DEL SUELO
Los ensayos necesarios para la clasificación del suelo son:
• Descripción visual • Humedad natural • Límites de consistencia • Granulometría por tamizado • Granulometría por hidrómetro • Peso unitario • Peso específico
Los ensayos necesarios para determinar la capacidad de soporte del
suelo son:
• Ensayo de compactación • Ensayo de penetración C.B.R.
CLASIFICACIÓN DEL SUELO:
G
En Venezuela se utilizan dos sistemas de clasificación de suelos: El Sistema Unificado de Clasificación del Suelo (SUCS) propuesto por Casagrande y el Sistema de Clasificación propuesto por la AASHTO. El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos divide al suelo en dos grandes grupos; Suelos de Grano Fino y Suelo de Grano Grueso, utilizando como base combinación de letras con los siguientes significados
= Gravas (Gravel) W = Buena Gradación (Well) S = Arenas (Sand) P = Poca Gradación (Poor)
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M = Limos (Mud) L = Baja Plasticidad (Low) C = Arcillas (Clay) H = Alta Plasticidad (High) O = Orgánicas (Organic) El sistema de clasificación de la AASHTO, divide a los suelos en siete grupos desde A-1 al A-7. La equivalencia entre los dos sistemas de clasificación no es lineal, sin embargo pueden hacerse comparaciones importantes. Una correcta clasificación del suelo permite una rápida solución a cualquier problema geotécnico y muy especialmente ayuda a predecir propiedades comunes que permiten en pavimentos estimar con poco margen de error la estructura. “El padre de la mecánica de suelos K.V. Terzaghi, siempre decía que una vez clasificado correctamente el suelo estaba resuelto el 50 % del problema geotécnico”. En desarrollos viales, en zonas despobladas y donde no se cuenta con laboratorios sofisticados, la correcta clasificación del suelo permite al Ingeniero estimar la capacidad de soporte del mismo y obtener una
Sistema Unificado de Clasificación del Suelo
Suelos de Grano Grueso
Suelos de Grano Fino
ML CL OL MH CH OH
GW GP GM GC SW SP SM SC
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razonable estructura del pavimento, esto es posible cuando el suelo se clasifica como gravas, arenas y limos de baja plasticidad o suelos de clasificación A-1 al A-5.
Cuando el suelo es de clasificación MH, CH, OH o los grupos A-6 y
A-7, esto es indicativo que se requiere mayor información geotécnica, por la posibilidad de que el suelo pueda presentar cambios de volumen o presión de expansión. Cuando los suelos presentan un perfil de suelos arcillosos, se debe tener presente el efecto que los cambios de humedad producen sobre el pavimento. En la figura No. 1 se presenta el esquema inicial del problema.
Figura No.1
CONDICIONES DE HUMEDAD NATURAL EN LOS SUELOS Condiciones: Todo tipo de suelos pero muy especialmente los suelos arcillosos.
Línea de equilibrio líquido - vapor
Agua en forma líquida No es nivel freático
Grietas de Desecación
NT
Agua en forma de vapor
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Cuando el suelo es cubierto con el terraplén del pavimento, se produce la ruptura de la línea equilibrio líquido vapor y esta asciende debajo del terraplén del pavimento como se muestra en la figura No. 2.
Figura No.2
CONDICIONES DE HUMEDAD CUANDO EL
SUELO ES CUBIERTO POR UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO.
Asciende debajo de la estructura
La línea de equilibrio
Línea de equilibrio líquido - vapor
Terraplén del pavimento NT
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Al final de fenómeno las curvas de humedad debajo de la estructura del terraplén se comportan como se muestra en la figura No. 3.
Figura No.3
VISTA DE PLANTA DE LÍNEAS DE IGUAL CONTENIDO DE HUMEDAD
Como consecuencia del humedecimiento y las propiedades expansivas de los suelos provocarán mayor presión en el centro que en los laterales originando una grieta longitudinal que aumenta la entrada de agua al suelo como se muestra en la figura No. 4
Borde del terraplén
10 %
5 % 15 % 20%
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Figura No.4
CUANDO SE COLOCA UN TERRAPLÉN SOBRE UN SUELO ARCILLOSO EXPANSIVO
EN LA CONDICIÓN DEL CASO 1.
El resultado final se muestra en la figura No. 5 donde el pavimento y la estructura del terraplén están totalmente deteriorada.
Figura No. 5
Presión de expansión mayor en el centro y
disminuye en las esquinas
Grieta longitudinal por tracción
El resultado de la variación de la presión de expansión es un
terraplén completamente deformado
Terraplén
Terraplén
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Como resultado de la presión de expansión debajo del terraplén, se presentan las siguientes fallas: • Ruptura de losas de concreto • Agrietamientos longitudinales importantes • Deformación de la carpeta de rodamiento • Corrimientos en el borde del pavimento Además de esta información general, el Ingeniero debe tener presente algunos pequeños detalles que el estudio geotécnico y la clasificación del suelo proporcionan, relacionado con los estados del suelo en la naturaleza. Los estados del suelo en la naturaleza se muestran en la figura No.6.
Figura No. 6
ESTADOS DE LOS SUELOS EN LA NATURALEZA
Incremento de la humedad
Estado sólido (Humedad = 0) Estado semí-sólido Estado plástico Estado líquido
(Fluido Viscoso)
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La frontera entre los diferentes estados en la cual conseguimos los suelos se llama límites de consistencia y se esquematizan en la figura No. 7.
Figura No. 7
Comúnmente los Ingenieros le prestan poca importancia a los reportes simples de laboratorio donde se indica el límite líquido y límite plástico del suelo y mucho menos importancia a su contenido natural de humedad, sin embargo, en la figura No. 8, presentamos un problema sencillo y de fácil entendimiento; si suponemos que tenemos un suelo con Límite Líquido (LL)= 40% y un Límite Plástico (LP)= 25%, el rango plástico del suelo será IP= LL-LP= 15%, no obstante no vemos un pequeño recuadro que indica que la humedad natural del suelo es 30 % (HN).
Incremento de la humedad
Estado sólido (Humedad = 0) Estado semí-sólido Estado plástico Estado líquido
(Fluido Viscoso)
LC LP LL
Rango plástico del suelo = IP
IP=LL-LP
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Figura No. 8
Podemos observar perfectamente que la humedad de 30 % cae dentro del rango plástico del suelo, en este caso cualquier esfuerzo por simple que sea, provocará deformación del suelo y por lo tanto rotura del pavimento.
EL AGUA EN EL SUELO: El agua en el suelo tiene un comportamiento diferente que el que tiene en la superficie. El agua en el suelo puede ascender por encima del nivel estático por un fenómeno llamado capilaridad. La mayoría de los profesionales tienen la errada creencia que la capilaridad es una propiedad exclusiva de los suelos arcillosos en los suelos granulares también se presenta el fenómeno de la capilaridad.
40 % 25 % 12 %
Estado sólido Estado semí-sólido Estado plástico
Estado líquido
LC LP LL
30 %
HN
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CAPILARIDAD EN LOS SUELOS NO COHESIVOS
La capilaridad permite que un suelo seco succione agua a niveles por encima del freático. La altura de la columna de agua que un suelo puede mantener de esta forma se denomina altura o carga capilar y es inversamente proporcional al tamaño de los poros del suelo en contacto aire-agua.
En la siguiente tabla se presenta datos obtenidos por Lane y
Washburm (1946) que indican la gama de alturas capilares en suelos no cohesivos.
Tabla No. 1 Cargas Capilares
Tamaño de las Relación de Carga Capilar (cm) Suelo partículas D10
(mm)
Vacíos hcr hcs
Grava Gruesa 0.82 0.27 5.4 6.0 Grava Arenosa 0.20 0.45 28.4 20.0 Grava Fina 0.30 0.29 19.5 20.0 Grava Limosa 0.06 0.45 106.0 68.0 Arena Gruesa 0.11 0.27 82.0 60.0 Arena Media 0.02 0.48-0.66 239.6 120.0 Arena Fina 0.03 0.36 165.5 112.0 Limo 0.006 0.95-0.93 359.2 180.0
Donde: hcr= Altura de Ascenso Capilar
hcs
La capilaridad es uno de los fenómenos más impresionantes del comportamiento del agua en el suelo, cuando observamos el nivel
= Altura de Saturación Capilar
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estático de agua de una piscina, no nos podemos imaginar que ese nivel estático dentro del suelo puede ser superado por el agua con alturas que a primera vista parecieran increíbles como se muestra en la figura No. 9.
FIGURA NO. 9
Otro detalle importante es que la mayoría de los Ingenieros Civiles que entienden el fenómeno de la capilaridad, creen que se trata de un fenómeno exclusivo de los suelos cohesivos, como se ve en la tabla No. 1, es típico de todo tipo de suelos bien sean cohesivos o granulares. Una forma clásica de explicarle a los estudiantes de bachillerato el fenómeno; consistía en colocar un tallo de una hierva conocida como pira o coneja en un frasco lleno con agua y tinta, así los estudiantes podían comprobar como el agua y los nutrientes ascienden por el tallo y alimentan a las plantas. Por medio de extremadamente delgados conductos de las plantas y agua puede ascender decenas de metros por encima del nivel de apoyo de las raíces.
Nivel estático del agua en la piscina
Nivel freático estático
Piezometro
Altura del agua en el piezometro
Altura de ascenso capilar del agua
Altura de saturación capilar
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El aumento de la humedad en el suelo puede traer consecuencias importantes cuando el suelo es potencialmente expansivo.
TEORÍAS DE LA EXPANSIBILDAD DE LOS SUELOS
Cuando el Ingeniero habla de arcillas expansivas, el tema se trata con misticismo y por eso en general las soluciones son exageradas, costosas y sin ninguna aplicación científica coherente; provocando en muchos casos fallas de estructuras, no asociadas verdaderamente con los problemas de expansibilidad de los suelos. Recuerdo en este artículo a un colega de la ingeniería geotécnica que me sugerio que debía apoyar la losa de piso de una vivienda liviana sobre “tubos de cartón” para que cuando se produjera la expansión no afectarán la losa de piso. Después de un tiempo pude comprobar que mi amigo tenía problemas por asentamiento fuerte de losa de piso en el centro de la edificación. El esfuerzo no fue de abajo hacia arriba si no como naturalmente se producen los esfuerzos por flexión. Las arcillas se producen por meteorización química de las rocas, a través de procesos como: disolución, oxidación, hidratación e hidrólisis y reacciones con el dióxido de carbono. Los procesos que intervienen en la meteorización química provocan la descomposición de muchos silicatos, especialmente los feldespatos, que dan origen a las arcillas.
Los minerales de arcilla son básicamente silicatos de aluminio
hidratados de forma cristalina y estructura complicada, constituidos por dos elementos cristalográficos: El tetraedro de silicio (SiO2) y el Octaedro de aluminio Al(OH)3. Estos se señalan gráficamente en la figura siguiente:
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Los minerales de arcilla más comunes son:
La Caolinita (Kolinita) La Ilita (Illita)
La Montmorrillonita (Montmorilonita).
Los enlaces electroquímicos más comunes de estos minerales, se
pueden ver en la siguiente figura.
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Como dato curioso en el Congreso de Arcillas Expansivas, realizado
en Haifax, Israel en 1973, se estimaron las superficies de contacto en un gramo de cada uno de estos minerales de arcilla:
Caolinita 22 m2/gramo Montmorilonita 82 m2/gramo
Ilita 113 m2/gramo
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Los criterios o teorías que explican la expansibilidad de los suelos son muy variados y son explicado de diversas formas sin embargo entre los más conocidos tenemos dos: la Teoría Físico-Mecánica y la Teoría Químico-Eléctrica. 1.- TEORÍA FÍSICO-MECÁNICA: es también conocida como teoría de “La Presión Encerrada” y se sustenta en fenómenos tratados anteriormente. Para su aplicación se requieren unas condiciones tales como: • Subsuelo arcilloso alta plasticidad (IP < 30%) • Clima árido o semiárido • Nivel freático profundo o inexistente • Alto contenido de montmorillonita en la arcilla
Estas condiciones son más parecidas a los climas de Coro, ciudad en Venezuela donde más se presenta este fenómeno, sin embargo en Carabobo en la Región de Belén, en un clima montañoso también hay arcillas expansivas.
En la figura No. 10, se muestra la condición inicial
FIGURA No. 10 CONDICIÓN INICIAL
Línea de equilibrio líquido - vapor
Nivel del suelo por contracción o desecación
Nivel original del terreno
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Cuando se coloca la estructura o el pavimento, la tensión que mantiene la evaporación del agua, disminuye drásticamente debajo de la estructura y la línea de equilibrio líquido – vapor asciende debajo de la estructura aumentando la altura de ascenso capilar y la altura de saturación capilar, la humedad provoca la liberación de la presión encerrada y existe un cambio de volumen que se traduce en un incremento de la presión debajo de la estructura como se muestra en la figura No. 11.
FIGURA No. 11
SE COLOCA LA ESTRUCTURA O PAVIMENTO Otros científicos no se conformaron con esta explicación y desarrollaron una novedosa teoría basada exclusivamente en un comportamiento químico-eléctrico.
Cuando el suelo libera la presión, el suelo trata de
recuperar el volumen original y se produce la
expansión
Línea de equilibrio líquido – vapor, asciende y con el humedecimiento
se libera la presión encerrada
Terraplén Línea de volumen original del suelo
Estructura
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2.- TEORÍA QUÍMICO-ELÉCTRICA: esta teoría se basa en otro fenómeno increíble de los suelos y en especial de los arcillosos por la forma y el tamaño de las partículas de arcilla. Las partículas de arcillas son como “hojas de papel”, tienen una gran área y un microscópico espesor que solo puede medirse en Aº (Angström), esta forma le confiere la propiedad de cargarse eléctricamente positiva o negativamente. Esta carga eléctrica le permite absorber una capa de agua llamada “capa absorbida”, que científicamente se considera parte de la estructura molecular de la partícula. Esta capa absorbida puede incorporar capas y más capas de agua. Cuando la distancia entre las partículas con sus anillos de agua disminuye se producen atracciones y repulsiones electroquímicas que dan origen a fenómenos de expansión. En la figura No. 12 se ilustra un ejemplo
FIGURA No. 12 ATRACCIONES Y REPULSIONES ELECTROQUÍMICAS
Condición Inicial
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - -
Repulsión electroquímica
Partícula de arcilla
Atracción electroquímica
Agua absorbida
Vacío o intersticio
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En mi experiencia en campo es difícil separar estas dos teorías, en ciertos casos pensamos que una es la verdaderamente cierta, pero con la aparición de nuevos problemas cambiamos nuevamente de opinión, lo que sí es cierto que múltiples técnicas (tanto físicas o electroquímicas) se han utilizado, en muchos suelos y los resultados parecen indicar que el suelo arcilloso está formado por una errática y variada composición de minerales de arcilla que presentan individualmente un comportamiento mejor según sea el método utilizado.
En Venezuela el control de arcillas potencialmente expansivas se han tratado con los siguientes métodos:
• Estabilización química: consiste en mezclar el suelo arcilloso con un
producto químico en nuestro país se ha utilizado; cal y cemento • Estabilización Electro-Química: consiste en alterar el enlace iónico del
agua con un producto de la destilación del petróleo como es el aceite sulforado.
• Estabilización Natural: este procedimiento consiste en mezclar el suelo
con arenas o gravas naturales de manera de disminuir la plasticidad total y adicionarle vacíos al nuevo suelo.
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FACTORES QUE AFECTAN LA FORMACIÓN DE ARCILLAS EXPANSIVAS O SUELOS DISPERSIVOS.
Intemperismo Químico: los minerales en las rocas ígneas y
metamórficas formadas a alta presión y temperatura son químicamente inestables cuando son expuestas a las capas más superficiales de la corteza terrestre. Los principales agentes del intemperismo químico se presentan en regiones de alta temperatura y precipitación donde las reacciones químicas son más fáciles. Un ejemplo muy común se produce cuando el agua de lluvia cae a través de la atmósfera y disuelve pequeñas cantidades de dióxido de carbono produciendo ácido carbónico. Este ácido ligero se mueve en el suelo hacia abajo y lateralmente, adicionalmente existe ácido carbónico en el suelo por la putrefacción de la materia orgánica, el efecto de estos es la ionización del ácido carbónico en forma de iones de hidrógeno e iones de bicarbonato. Los iones de hidrógeno pueden entrar por su tamaño en la estructura cristalina y reemplazar otros iones provocando el cambio en la composición química de la roca como se muestra que en la ecuación.
H2 COO 2 H2CO 3 H1 -1 HCO3 Agua
Dióxido de
carbono
Ácido Carbónico
Hidrógeno
Bicarbonato
Hidrólisis: este proceso se presenta con mayor intensidad cuando vemos lo efectivo que es Ion H+1 en la descomposición del feldespato potásico, éste Ión reemplaza al Ión potasico la estructura cristalina quedando que el K+1
en solución, el esquema se muestra en la siguiente ecuación:
Hidrólisis del feldespato potásico
4KalSi3O8 4H 2H1+ 2 O 4K1 + AI4SI4O 8SiO10
Feldespato Potásico
2
Hidrógeno Agua Potasio Kaolinita Sílice
+ +
+ + +
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Se conoce como hidrólisis el proceso de los iones que constituyen el H2O, H+1 y OH-1 reemplazan iones en una estructura cristalina de un mineral. Lixiviación: es otro de los procesos comunes del intemperismo químico y se produce por la continua remoción de materia soluble de los tratos rocosos de la corteza. La sílice es removida lentamente de las rocas por el agua donde esta permanece en solución a través de la tierra. Mucha de las sustancias producidas por la lixiviación están presentes en el agua subterránea y en grandes concentraciones producen sabor al agua subterránea. En Venezuela las lateritas económicamente más importantes son las cuarcitas ferroginosas que son menas de hierro y la bauxita que es una mena de aluminio. Oxidación: el hierro es un constituyente muy común de muchas rocas y minerales como la biotita, augita, hornblenda, cuando estás rocas y minerales son atacadas por el intemperismo o meteorización química, el hierro liberado rápidamente se oxida en presencia de oxígeno pasando de Fe+2 a Fe+3
, como consecuencia de este proceso se desarrolló un mineral amarillento llamado “geotita” y que es la combinación de oxidación y hidratación con incorporación de agua dentro del estructura cristalina, el proceso químico se muestra en la siguiente ecuación:
4FeO 2H2 OO 2 4FeO(OH)
Oxido de Hierro
Agua Oxigeno Geotita
La deshidratación de la geotita, producen hematitas como se muestra en la siguiente ecuación:
2FeO(OH) hidratación Fe2O 2H3 2
Geotita O
Hematita Agua
+ +
+
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Disolución: los minerales constituidos por carbonato de calcio, tales como la calcita o las calizas, son ligeramente solubles en agua, sin embargo en presencia del ácido carbónico, los iones de calcio y bicarbonato se separan, este proceso es llamado disolución. La ecuación que muestra el proceso se muestra a continuación:
CaCO H3 2CO 3 Ca 2(HCO3)+2 Carbonato de Calcio
-1 Ácido
Carbónico Ión Calcio Ión
Bicarbonato Las calizas constituyen un grupo importante de rocas que se diferencian unas de otras por el mayor o menor contenido de calcio en su composición química, existen rocas calcáreas con bajo contenido de carbonato de calcio que se llamarán margas. Una reacción química típica de las sustituciones atómicas la representa la dolomitización que consiste en la sustitución de Mg+2 por calcio Mg+2 en la molécula del ión carbonato, dando como resultado una roca llamada dolomita.
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