1
DETERMINACION DEL GRADO DE DISPERSIVIDAD EN LA COLINITA
MODIFICADA CON SAL DE SODIO Y SAL DE MAGNESIO
JOHN JAIRO PULIDO LOPEZ
UNIVERSIDAD CATOLICA DE COLOMBIA
PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2016
2
DETERMINACION DEL GRADO DE DISPERSIVIDAD EN LA CAOLINITA
MODIFICADA CON SAL DE SODIO Y SAL DE MAGNESIO
JOHN JAIRO PULIDO LOPEZ
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al titulo de
Ingeniero Civil
Director temático:
Ing. Juan Carlos Ruge
UNIVERSIDAD CATOLICA DE COLOMBIA
FACULTADAD DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTA D.C.
2016
3
Nota de aceptación:
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
JUAN CARLOS RUGE CARDENAS
Director de Proyecto
_______________________________
Firma del presidente del jurado
________________________________
Firma del jurado
________________________________
Firma del jurado
Bogotá D.C., 13 de Mayo de 2016.
6
AGRADECIMIENTOS
AL INGENIERO JUAN CARLOS RUGE, asesor temático del trabajo de
investigación. Por la colaboración brindada durante el desarrollo de este proyecto.
A SEG GEOTECNIA Y CONTROL DE CALIDAD S.A.S, Ingeniero Nilson Cadena
Chacon, por permitir la oportunidad de realizar los ensayos para esta
investigación.
Al laboratorio de suelos de la UNIVERSIDAD CATOLICA DE COLOMBIA por
permitir la oportunidad de realizar los ensayos para esta investigación.
A todas y cada una de las personas que estuvieron cerca durante el desarrollo de
esta investigación.
Y finalmente, a todos los docentes de la UNIVERSIDAD CATOLICA DE
COLOMBIA, quienes contribuyeron en mi formación como profesional.
7
DEDICATORIA
A Dios, que me ha regalado la oportunidad de iniciar y terminar este proceso…
A mis padres Belisario y Consolación; por ser el apoyo incondicional en este
proceso, por la paciencia que han tenido durante todo este tiempo, por estar ahí
en mis triunfos y mis derrotas, por no dejarme solo jamás, gracias padres por esta
larga espera…
A mi hermana Jennifer, que ha sido un pilar importante para mí durante este
proceso, sus consejos me han servido para ser un gran hombre, un gran amigo y
un gran hermano…
A la mujer que quiero con todo mi corazón, la cual ha sido la inspiración para ser
un hombre diferente, el pilar para lograr esta meta tan importante y que ha visto al
final los frutos de tantas horas de paciencia, sacrificio y dedicación…
A Melissa, mi gran amiga y confidente que ha sido de gran apoyo moral para
sacar adelante este proceso educativo…
A todos mis amigos y familiares que de una u otra manera han estado
acompañándome en este proceso, brindando su apoyo incondicional para que
este aquí logrando este sueño profesional…
“Al principio todos los pensamientos pertenecen al amor. Después todo el amor
pertenece a los pensamientos”
Albert Einstein.
8
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCION ................................................................................................... 15
1. PROBLEMA ...................................................................................................... 16
1.1 TITULO ............................................................................................................ 16
1.2 DESCRIPCION DEL PROBLEMA .................................................................. 16
1.3 FORMULACION DEL PROBLEMA ................................................................ 16
1.4 JUSTIFICACION ............................................................................................. 17
1.5 OBJETIVOS .................................................................................................... 17
1.5.1 Objetivo general ............................................................................................ 17
1.5.2 Objetivos específicos .................................................................................... 17
2. MARCO REFERENCIAL ................................................................................... 19
2.1 MARCO TEORICO CONCEPTUAL ................................................................ 19
2.1.1 Dispersividad ................................................................................................ 19
2.1.2 Suelos dispersivos ........................................................................................ 20
2.1.3 Determinación de Dispersividad .................................................................. 21
2.2 MARCO CONTEXTUAL .................................................................................. 23
2.2.1 Caolinita ........................................................................................................ 23
2.2.2 Sal de sodio .................................................................................................. 26
2.2.3 Sal de magnesio ........................................................................................... 27
2.3 MARCO NORMATIVO..................................................................................... 28
2.3.1 Limite liquido, limite plástico e índice de plasticidad ..................................... 28
2.3.2 Método para determinar el grado dispersivo CRUMB .................................. 31
2.3.3 Método para determinar el grado dispersivo DOBLE HIDROMETRO .......... 32
2.3.4 Método para determinar el grado dispersivo PINHOLE ................................ 34
3. METODOLOGIA ................................................................................................ 36
3.1 DISEÑO DE LA INVESTIGACION .................................................................. 36
3.2 OBJETO DE ESTUDIO ................................................................................... 36
3.3 INSTRUMENTOS ............................................................................................ 37
9
3.4 HIPOTESIS ...................................................................................................... 37
3.5 COSTOS .......................................................................................................... 37
4. TRABAJO INGENIERIL .................................................................................... 38
4.1 DESCRIPCION DEL SUELO Y CONDICIONES PARA ENSAYO .................. 38
4.1.1 Determinación del límite liquido, límite plástico e índice de plasticidad ....... 38
4.1.2 Densidad máxima y humedad optima de compactación ............................... 41
4.1.3 Dispersión de la caolinita por el método CRUMB ........................................ 43
4.1.4 Dispersión de la caolinita por el método DOBLE HIDROMETRO ................ 44
4.1.5 Dispersión de la caolinita por el método PINHOLE ...................................... 50
4.1.6 Dispersión de la caolinita modificada con sodio al 10% por el método
CRUMB ................................................................................................................. 54
4.1.7 Dispersión de la caolinita modificada con sodio al 10% por el método
DOBLE HIDROMETRO ......................................................................................... 55
4.1.8 Dispersión de la caolinita modificada con sodio al 10% por el método
PINHOLE ............................................................................................................... 58
4.1.9 Dispersión de la caolinita modificada con magnesio al 10% por el método
CRUMB ................................................................................................................. 61
4.1.10 Dispersión de la caolinita modificada con magnesio al 10% por el método
DOBLE HIDROMETRO ......................................................................................... 63
4.1.11Dispersion de la caolinita modificada con magnesio al 10% por el método
de PINHOLE .......................................................................................................... 66
4.1.12 Dispersión de la caolinita modifica con sodio al 25% por el método de
PINHOLE ............................................................................................................... 70
4.1.13 Dispersión de la caolinita modificada con magnesio al 25% por el método
de PINHOLE .......................................................................................................... 74
5. ANALISIS DE RESULTADOS ........................................................................... 78
6. CONCLUSIONES .............................................................................................. 79
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 80
ANEXOS ................................................................................................................ 82
10
INDICE DE FIGURAS
Pág.
FIGURA 1 Limite liquido ...................................................................................... 28
FIGURA 2 Curva de flujo ..................................................................................... 29
FIGURA 3 Limite plástico .................................................................................... 30
FIGURA 4 Índice de plasticidad .......................................................................... 30
FIGURA 5 Ensayo CRUMB .................................................................................. 32
FIGURA 6 Dispersión Doble Hidrómetro............................................................ 32
FIGURA 7 Ensayo Doble Hidrómetro ................................................................. 33
FIGURA 8 Determinación de Dispersión ............................................................ 34
FIGURA 9 Ensayo Pinhole .................................................................................. 34
FIGURA 10 Curva de moldeo .............................................................................. 42
FIGURA 11 Tabla del PH ...................................................................................... 44
11
INDICE DE TABLAS
Pág.
TABLA 1 Intervalos limite liquido ....................................................................... 29
TABLA 2 Clasificación de dispersividad ........................................................... 35
TABLA 3 Instrumentos ........................................................................................ 37
TABLA 4 Insumos para ensayos ........................................................................ 38
TABLA 5 Resultados limite liquido .................................................................... 40
TABLA 6 Resultados limite plástico ................................................................... 40
TABLA 7 Resultados índice de plasticidad ....................................................... 40
TABLA 8 Resultados Harvard miniatura ............................................................ 42
TABLA 9 Resultados hidrometría agitada ......................................................... 47
TABLA 10 Resultados hidrometría sin agitar .................................................... 49
TABLA 11 % pasa 0.005 mm agitado ................................................................. 49
TABLA 12 % pasa 0.005 mm sin agitar .............................................................. 49
TABLA 13 Grado de dispersión .......................................................................... 49
TABLA 14 Resultados Pinhole ............................................................................ 54
TABLA 15 Resultados hidrometría ..................................................................... 58
TABLA 16 % pasa 0.005 mm ............................................................................... 58
TABLA 17 Determinación dispersividad ............................................................ 58
TABLA 18 Resultados Pinhole ............................................................................ 61
TABLA 19 Resultados hidrometría ..................................................................... 66
TABLA 20 % pasa 0.005 mm ............................................................................... 66
TABLA 21 Determinación grado dispersivo ...................................................... 66
TABLA 22 Resultados Pinhole ............................................................................ 69
TABLA 23 Resultados Pinhole ............................................................................ 73
TABLA 24 Resultados Pinhole ............................................................................ 77
TABLA 25 Analisis de resultados ....................................................................... 78
12
INDICE DE FOTOS
Pág.
FOTO 1 Muestra limite plástico .......................................................................... 39
FOTO 2 Muestra limite liquido ............................................................................ 39
FOTO 3 Montaje en la cazuela ............................................................................ 39
FOTO 4 Muestra en la cazuela ............................................................................ 39
FOTO 5 Muestra sin ranurar ................................................................................ 39
FOTO 6 Muestra ranurada ................................................................................... 39
FOTO 7 Ranura cerrada ....................................................................................... 39
FOTO 8 Amasado limite plástico ........................................................................ 40
FOTO 9 Especímenes cilíndricos ....................................................................... 40
FOTO 10 Preparación Harvard miniatura ........................................................... 41
FOTO 11 Preparación Harvard miniatura ........................................................... 41
FOTO 12 Preparación Harvard miniatura ........................................................... 41
FOTO 13 Preparación Harvard miniatura ........................................................... 41
FOTO 14 Espécimen CRUMB .............................................................................. 43
FOTO 15 Espécimen CRUMB .............................................................................. 43
FOTO 16 Medida del PH ...................................................................................... 43
FOTO 17 Determinación del PH .......................................................................... 43
FOTO 18 Masa de ensayo ................................................................................... 45
FOTO 19 Masa de agente dispersante ............................................................... 45
FOTO 20 Solución hexametafosfato .................................................................. 45
FOTO 21 Agitado solución .................................................................................. 45
FOTO 22 Agitado lechada ................................................................................... 46
FOTO 23 Agitado mecánico de lechada ............................................................. 46
FOTO 24 Agitado manual de lechada ................................................................. 46
FOTO 25 Inicio de sedimentación ...................................................................... 46
13
FOTO 26 Sedimentación en 1440 minutos......................................................... 46
FOTO 27 Inicio sedimentación ............................................................................ 47
FOTO 28 Sedimentación en 5 minutos .............................................................. 47
FOTO 29 Sedimentación en 60 minutos ............................................................ 48
FOTO 30 Sedimentación en 1440 minutos......................................................... 48
FOTO 31 Preparación espécimen ....................................................................... 50
FOTO 32 Compactación espécimen .................................................................. 50
FOTO 33 Compactación espécimen ................................................................... 50
FOTO 34 Perforación Pinhole ............................................................................. 50
FOTO 35 Armado de espécimen de ensayo ...................................................... 51
FOTO 36 Armado de ensayo ............................................................................... 51
FOTO 37 Cabeza de 110 mmca ........................................................................... 52
FOTO 38 Turbidez del agua................................................................................. 52
FOTO 39 Cabeza 180 mmca ................................................................................ 52
FOTO 40 Turbidez del agua................................................................................. 52
FOTO 41 Cabeza 380 mmca ................................................................................ 52
FOTO 42 Turbidez del agua................................................................................. 52
FOTO 43 Cabeza de 1020 mmca ......................................................................... 53
FOTO 44 Turbidez del agua................................................................................. 53
FOTO 45 Diámetro del Pinhole ........................................................................... 53
FOTO 46 Espécimen CRUMB .............................................................................. 54
FOTO 47 Espécimen sumergido ......................................................................... 54
FOTO 48 Espécimen después de 10 minutos .................................................... 55
FOTO 49 Determinación del PH .......................................................................... 55
FOTO 50 Inicio de sedimentación ...................................................................... 56
FOTO 51 Sedimentación en 5 minutos .............................................................. 56
FOTO 52 Sedimentación en 60 minutos ............................................................ 57
FOTO 53 Sedimentación en 1440 minutos......................................................... 57
FOTO 54 Cabeza 110 mmca ................................................................................ 59
14
FOTO 55 Turbidez del agua................................................................................. 59
FOTO 56 Cabeza de 180 mmca ........................................................................... 59
FOTO 57 Turbidez del agua................................................................................. 59
FOTO 58 Cabeza de 380 mmca ........................................................................... 60
FOTO 59 Turbidez del agua................................................................................. 60
FOTO 60 Cabeza de 1020 mmca ......................................................................... 60
FOTO 61 Turbidez del agua................................................................................. 60
FOTO 62 Diámetro del Pinhole ........................................................................... 60
FOTO 63 Espécimen CRUMB .............................................................................. 62
FOTO 64 Espécimen sumergido ......................................................................... 62
FOTO 65 Espécimen después de 20 minutos .................................................... 62
FOTO 66 Determinación del PH .......................................................................... 62
FOTO 67 Inicio de sedimentación ...................................................................... 64
FOTO 68 Sedimentación en 5 minutos .............................................................. 64
FOTO 69 Sedimentación en 60 minutos ............................................................ 65
FOTO 70 Sedimentación en 1440 minutos......................................................... 65
FOTO 71 Cabeza 110 mmca ................................................................................ 67
FOTO 72 Turbidez del agua................................................................................. 67
FOTO 73 Cabeza 180 mmca ................................................................................ 67
FOTO 74 Turbidez del agua................................................................................. 67
FOTO 75 Cabeza 380 mmca ................................................................................ 68
FOTO 76 Turbidez del agua................................................................................. 68
FOTO 77 Cabeza de 1020 mmca ......................................................................... 68
FOTO 78 Turbidez del agua................................................................................. 68
FOTO 79 Diámetro del Pinhole ........................................................................... 69
FOTO 80 Cabeza 110 mmca ................................................................................ 70
FOTO 81 Turbidez del agua................................................................................. 70
FOTO 82 Cabeza de 180 mmca ........................................................................... 71
FOTO 83 Turbidez del agua................................................................................. 71
15
FOTO 84 Cabeza de 380 mmca ........................................................................... 71
FOTO 85 Turbidez el agua ................................................................................... 72
FOTO 86 Cabeza de 1020 mmca ......................................................................... 72
FOTO 87 Turbidez del agua................................................................................. 72
FOTO 88 Diámetro del Pinhole ........................................................................... 73
FOTO 89 Cabeza de 110 mmca ........................................................................... 74
FOTO 90 Turbidez del agua................................................................................. 74
FOTO 91 Cabeza de 180 mmca ........................................................................... 75
FOTO 92 Turbidez del agua................................................................................. 75
FOTO 93 Cabeza de 380 mmca ........................................................................... 75
FOTO 94 Turbidez del agua................................................................................. 75
FOTO 95 Cabeza de 1020 mmca ......................................................................... 76
FOTO 96 Turbidez del agua................................................................................. 76
FOTO 97 Diámetro del Pinhole ........................................................................... 76
16
INDICE DE ANEXOS
Pág.
ANEXO 1 Formato limite liquido y limite plástico ............................................. 82
ANEXO 2 Formato hidrometría agitado + dispersante ..................................... 83
ANEXO 3 Formato hidrometría sin agitar y sin dispersante ............................ 84
ANEXO 4 Formato hidrometría 10% sal de sodio ............................................. 85
ANEXO 5 Formato hidrometría 10% sal de magnesio ...................................... 86
ANEXO 6 Formato Pinhole caolinita .................................................................. 87
ANEXO 7 Formato Pinhole 10% magnesio ........................................................ 88
ANEXO 8 Formato Pinhole 10% sodio ............................................................... 89
ANEXO 9 Formato Pinhole 25% magnesio ........................................................ 90
ANEXO 10 Formato Pinhole 25% sodio ............................................................. 91
17
INTRODUCCION
El presente proyecto tiene como finalidad la determinación del grado de
dispersividad de la caolinita modificada con soluciones salinas de sodio y
magnesio.
La determinación del grado de dispersividad se realizara a partir de ensayos de
laboratorio los cuales presentan análisis cualitativo y cuantitativo. A partir de estos
resultados se pretende dar un concepto técnico sobre el suelo ensayado y como
este puede ser afectado por las soluciones salinas dentro de su composición.
Para el desarrollo de esta investigación se hizo necesario consultar y aplicar la
normatividad existente para determinar los parámetros necesarios para determinar
el grado de dispersividad y el posterior análisis de resultados.
18
1. PROBLEMA
1.1 TITULO
Determinación del grado de dispersividad en la caolinita modificada con soluciones
salinas de sodio y potasio.
1.2 DESCRIPCION DEL PROBLEMA
Antiguamente se tenía el criterio de que algunos materiales arcillosos eran
altamente resistentes a la erosión cuando el agua pasaba a través de estos. En el
último siglo variedad de científicos e ingenieros han estado trabajando en la
metodología para determinar si un suelo arcilloso es resistente a la erosión,
llegando a la conclusión de que existen en la naturaleza ciertos materiales
arcillosos que presentan patologías altamente erosionables, por lo cual se ha
determinado que este tipo de suelos se consideran altamente dispersivos. Los
métodos científicos que se han creado nos permiten en la actualidad definir si un
suelo es dispersivo o no, ya no de manera visual sino con relación a unos
resultados obtenidos en el laboratorio siguiendo parámetros exigidos en la
normatividad.
1.3 FORMULACION DEL PROBLEMA
¿Como determinar el grado de dispersión de la caolinita modificada con
soluciones salinas de sodio y magnesio, según lo especificado en la normatividad
definida para determinar el grado dispersivo?
19
1.4 JUSTIFICACION
La caolinita se define como un material arcilloso, el cual no tiene una referencia
técnica del grado de dispersividad que podría tener en el caso de que el suelo
fuese utilizado para la construcción.
Este proyecto de investigación promueve la definición del grado de dispersión de
la caolinita sin modificar y a su vez promueve la determinación del grado
dispersivo cuando el suelo es modificado con soluciones salinas que podrían
afectar la composición del suelo y por ende las propiedades mecánicas y físicas.
1.5 OBJETIVOS
1.5.1 Objetivo general
Determinar el grado de dispersión de la caolinita modificada con soluciones
salinas de sodio y magnesio.
1.5.2 Objetivos específicos
Determinar el límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad de la
caolinita.
Determinar la densidad máxima seca compactada y la humedad optima de
la caolinita.
Determinar el grado dispersivo de la caolinita por medio de CRUMB,
DOBLE HIDROMETRO Y PINHOLE.
Determinar el grado dispersivo de la caolinita modificada con 10% de sodio
por medio de CRUMB, DOBLE HIDROMETRO Y PINHOLE.
20
Determinar el grado dispersivo de la caolinita modificada con 10% de
magnesio por medio de CRUMB, DOBLE HIDROMETRO Y PINHOLE.
Determinar el grado dispersivo de la caolinita modificada con 25% de sodio
por medio de PINHOLE.
Determinar el grado dispersivo de la caolinita modificada con 25% de
magnesio por medio de PINHOLE.
21
2. MARCO REFERENCIAL
2.1 MARCO TEORICO CONCEPTUAL
2.1.1 Dispersividad
Cuando el resultante de las fuerzas de atracción y repulsión entre dos partículas
arcillosas es de repulsión, se conoce como dispersividad. Este fenómeno hace
que las partículas tomen un comportamiento de separación entre partículas. Esta
separación depende mucho de la composición del sistema, puesto que si se altera
en alguna medida el sistema, la reacción es prácticamente de dispersión.
Para que este fenómeno sea visible en las partículas arcillosas, se ha determinado
que se deben aumentar o disminuir algunas de las siguientes características en el
sistema:
Aumentando:
Concentración de electrolitos
Valencia jónica
Temperatura
Disminuyendo:
Constante dieléctrica
Tamaño del ion hidratado
Adsorción de aniones
pH
22
Existe una clara evidencia de que otras fuerzas eléctricas pueden resultar muy
importantes cuando la separación entre partículas arcillosas se reduce a
distancias bastantes reducidas. Este tipo de suelos son los más apetecidos para
utilizar como materias primas por el ingeniero civil a la hora de construir
terraplenes y presas con núcleo arcilloso.
2.1.2 suelos dispersivos
Las arcillas dispersivas son fácilmente erosionables al ponerse en contacto con
agua pura, alterando su estado físico químico y causa en las partículas la
tendencia a deflocularse. El gradiente hidráulico juega un papel importante debido
a que entre más bajo sea este, al punto de llegar a ser estático, va a generar en el
suelo una capacidad erosionable bastante considerable. Cuando estos suelos
están sumergidos, las partículas de arcilla tienen una atracción mínima de
electroquímica y encuentran la falla al momento de adherirse con otras partículas
que componen el suelo. El suelo de arcilla dispersiva tiende a ser erosivo cuando
el agua que fluye a través, parte y transporta plaquetas individuales de la arcilla,
donde la erosión que se presenta puede ser provocada por una filtración inicial a
través de una presa construida con este tipo de suelo. Esta erosionabilidad la
podemos observar en áreas de suelo con alta permeabilidad, en zonas donde se
hace contacto con las cimentaciones, contra las estructuras en concreto reforzado,
en el asentamiento diferencial de las fisuras, la saturación del asentamientos de
las fisuras y/o el fracturamiento hidráulico.1
1 Emersson W.W. (1977), A classification of Soils Aggregates Base on their
Coherence in Water, Australian Journal of Soil Research, Vol. 2. pp 211-217.
23
La principal diferencia entre las arcillas ordinarias y las arcillas dispersivas es la
resistencia que presentan a la erosión. Las arcillas aparecen en la naturaleza de
los cationes en los poros del agua de la masa de arcilla. Las arcillas dispersivas
tienen una preponderancia de cationes de sodio, mientras que las arcillas
ordinarias preponderan cationes de calcio, potasio y magnesio en el agua de
poros.
Los suelos dispersivos no se pueden identificar de manera visual o con ensayos
tradicionales donde podemos evidenciar los estados de consistencia o la
distribución cuantitativa de las partículas, por esto se han generado varios
procedimientos validados donde podemos clasificar de manera cuantitativa y
cualitativa el grado dispersivo y así dar un dictamen técnico con relación a si un
suelo es dispersivo o no erosionable.
2.1.3 determinación de la dispersividad.
La determinación del grado de dispersividad debería comenzar con el
reconocimiento en campo, donde de manera visual se puede ver una evidencia
superficial en el suelo, mostrando estampados erosivos en forma de túnel u
hondonadas profundas. El grado de turbidez del agua depositada dentro de estos
túneles llega a ser excesivo y se podría llegar a un dictamen en donde el suelo
podría estar cargado de sales en el agua de los poros. Sin embargo, los suelos
dispersivos pueden también presentarse en suelos neutrales o en suelos ácidos
que ayudan al crecimiento frondoso del césped. Cuando en la superficie se
evidencie claramente un indicio de dispersividad, no excluye la posibilidad de que
en la profundidad el suelo también tenga arcillas dispersivas, donde las
24
exploraciones adicionales podrían aportar la evidencia necesaria para dar un parte
técnico.2
Ensayos simples y rápidos en campo pueden ser útiles para identificar los suelos
dispersivos, estas observaciones se pueden realizar observando el
comportamiento de los suelos en campo. Algunos ejemplos son:
la presencia de quebradas profundas y fallas por tubificacion pueden dar
indicios de la presencia de los suelos dispersivos.
La erosión que se presenta en los caminos, erosión de tipo túnel a los largo
de las quebradas y algunos materiales arcillosos que se encuentran
adheridos a la superficie de las rocas señalan la posibilidad de que los
suelos sean potencialmente dispersivos.
La presencia de agua con cierto grado de turbidez en pequeños pozos en
las quebradas o charcos generados por la lluvia indican la potencialidad de
suelos dispersivos.
Estas técnicas de observación podrían deducir la mineralogía de la arcilla,
adicional a esto también la geología del área ayuda como guía para la
determinación de la dispersividad. Autores como Ingles & Metcalf (1972) y Sherard
& Decker señalan que:
2 Porteros, Hilda Garay, Alva Hurtado, Jorge E, Identificación y ensayos en suelos
dispersivos, (1999), pp 12, ponencia presentada en el XII congreso nacional de
ingeniería civil, Laboratorio Geotécnico CISMID – FIC – UNI.
25
La mayoría de las arcillas dispersivas son de origen aluvial, aclarando que
bajo la experiencia de los autores también existen arcillas aluviales que no
presentan grado de dispersividad alguno.
Algunos suelos derivados de la lutita y la arcillita que se encuentran en el
mar pueden presentar grados de dispersión.
Los suelos que se derivan de la intemperización de las rocas ígneas y
metamórficas presentan patologías no dispersivas, pero pueden llegar a ser
erosionables.
Suelos con un alto contenido de material orgánico probablemente no son
dispersivos. La determinación para este tipo de suelos se ha realizado con
base en los suelos denominados “algodón negro”, los cuales han
presentado tendencia a la dispersividad.3
2.2 MARCO CONTEXTUAL
2.2.1 Caolinita
La caolinita es uno de los minerales mayoritarios en los 10 primeros metros de la
corteza continental, solo en contadas ocasiones posee todas la propiedades
necesarias para que merezca la pena su explotación. Los términos caolín y
caolinita derivan del término “Ka O Ling”, localidad en china donde se encuentra
un importante yacimiento y cuyo significado es “alta montaña”. De esta localidad
proceden las muestras de una arcilla blanca usada por los chinos para hacer
porcelanas, descubiertas por misioneros y exploradores europeos en el XVIII.
3 Ingles D.G. y Metcalf M. (1972), Soil Stabilization, Butterworsths, Sydney,
Australia.
26
Se podría definir como caolín a toda roca masiva con un porcentaje variable de
minerales de la arcilla, de composición igual o próxima a la del mineral caolinita
(2SiO2.Al2O3.2H2O), que sean fáciles de concentrar por separación de los
restantes minerales. El termino equivale a la denominación inglesa de china clay.4
PROPIEDADES FISICAS, COMPOSICION Y ESTRUCTURA.
Las principales propiedades físicas del caolín pueden verse a continuación:
Color: blanco, gris o amarillento.
Aspecto: untuoso al tacto.
Brillo: terroso, mate o nacarado cuando es cristalino.
Raya: Blanca.
Densidad: 2.40 g/cm3 – 2.64 g/cm3.
Dureza: entre 2 y 2.5.
Los caolines pueden contener uno o varios silicatos poliformos: caolinita, nacrita y
dickita. La nacrita fue propuesta después de un estudio de un caolín francés y la
dickita es un homenaje al autor de la descripción de un caolín francés.
El termino arcillas caoliniferas agrupa un conjunto de arcillas sedimentarias con
significativos contenidos de caolinita acompañada de otros minerales detríticos
como micas, feldespatos, óxidos de hierro, etc. Sin embargo, en estos materiales
4 Bartolomé, J.F., El Caolín: composición, estructura, génesis y aplicaciones,
Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. Vol. 36 Núm. 1, (Ene-Feb.
1997), p. 7-12.
27
la fina distribución del tamaño de sus partículas de todos sus componentes impide
la separación y la concentración de fracciones ricas en caolinita. Al tener carácter
refractario, son destinados a industrias cerámicas prácticamente en bruto, sin
tratamientos previos. En función de sus características físico-químicas,
mineralógicas y geológicas, reciben nombres específicos. Asi, se distinguen:
BALL CLAYS.
Arcillas caoliniferas altamente plásticas y dispersables en agua. Presentan colores
oscuros causados por la presencia de materia orgánica pero son cocidas con color
blanco.
FIRECLAYS.
Son arcillas compactas más o menos plásticas. En general contienen óxidos de
hierro que impiden la cocción blanca, pero al igual que las anteriores, la caolinita
desordenada es el mineral mayoritario. El termino índice a la confusión ya que el
carácter refractario es común en todas las arcillas caoliniferas, aunque no todas se
emplean en la industria.
FLINT CLAYS
Son arcillas masivas y duras, carentes de plasticidad, hasta el punto de presentar
fractura concoidea. Su componente mayoritario es la caolinita muy ordenada y
bien cristalizada con pequeño tamaño de partícula. Su campo de aplicación
principales la fabricación de refractarios sílico-aluminosos.
28
TONSTEINS UNDERCLAYS
Esta es una denominación usada en Centroeuropa para un tipo de roca similar en
sus propiedades físico-químicas y mineralógicas a las Flint Clays. En este caso
son niveles volcánicos interestratificados o no, en los paquetes de carbón de
ciertas cuencas huelleras.
2.2.2 Sal de Sodio
El cloruro de sodio, más conocido como sal de sodio o sal de mesa es un
componente necesario para la salud humana. Está destinado a ser consumido en
cantidades mínimas y provee al cuerpo con electrolitos y ayuda a relajar los
músculos.
El cloruro de sodio es fácilmente soluble en el agua e insoluble o ligeramente
soluble en la mayoría de los otros líquidos. El cloruro de sodio es inodoro pero
tiene un saber característico salado.
Es un compuesto iónico, siendo compuesto por igual número de sodio con carga
positiva y los iones de cloro cargados negativamente. Cuando se funde o se
disuelve en agua, los iones pueden moverse libremente, de manera que el cloruro
fundido o disuelto es un conductor de electricidad y se puede descomponer en
sodio y cloro haciendo pasar una corriente eléctrica a través de él.
Su composición química es NaCl, su nomenclatura sistemática es monocloruro de
sodio y su nomenclatura stock es cloruro de sodio.
29
Sus características son:
Punto de fusión: 801 C°.
Punto de ebullición: 1465 C°.
Masa molar: 58.443 g/mol.
PH neutro.
Densidad: 2.165 g/cm3.
No inflamable.
2.2.3 Sal de magnesio.
Sal de magnesio, de nombre común sal de Epsom, es un compuesto químico que
contienen magnesio, y cuya fórmula es Mg.SO47H2O. La sal de Epsom fue
originalmente elaborada mediante cocido de las aguas minerales de la comarca
cercana a Epsom, Inglaterra, y luego preparados a partir del agua marina. En
tiempos posteriores las sales se obtuvieron de un mineral denominado epsomita.
En agricultura y jardinería, la sal de Epsom se emplea como corrector de la
deficiencia de magnesio en el suelo. Es común su aplicación en el cultivo de
plantas en huerto o en maceta carecen de suficiente magnesio.
En la ingeniería, la sal de Epsom se utiliza para evaluar la resistencia de los
agregados utilizados para la fabricación de concreto hidráulico y concreto asfaltico,
donde se someten los agregados de tamaños determinados a la absorción de una
solución y como este reacciona a los cambios de temperatura. Cuando los
agregados son sometidos a este proceso, algunos presentan varios tipos de
alteraciones entre los cuales se encuentran la fractura y el desmoronamiento.
30
2.3 MARCO NORMATIVO
2.3.1 Limite líquido, limite plástico e índice de plasticidad.
El límite líquido y el límite plástico son estados de consistencia del suelo en donde
estos estados se representan como humedades en el suelo. La norma INV E-
125/13 e INV E-126/13 establecen los parámetros adecuados para poder
determinar de manera confiable estos estados de consistencia del suelo. Para la
determinación del límite liquido se realiza un ensayo con ayuda de la cazuela de
Casagrande en donde por medio de este dispositivo se determina dicha constante
indirecta. El suelo debe ser ensayado en dicho dispositivo y de acuerdo al número
de golpes se establece el límite líquido. 5
La norma especifica que el límite líquido es determinado cuando el suelo
ensayado en la cazuela necesita 25 golpes para cerrar una ranura realizada
transversalmente sobre el suelo apoyado en la cazuela. Directamente el suelo no
siempre cierra la ranura en 25 golpes, por ese motivo la norma establece que se
5 Instituto Nacional de Vías, Sección 100 – Suelos, INV E-125/13, Determinación
del límite liquido de los suelos, Colombia, 2013.
Figura 1. Limite líquido.
31
deben ensayar al menos tres determinación con intervalos que se muestran en la
siguiente tabla:
1 determinación Entre 25 y 35 golpes
2 determinación Entre 20 y 30 golpes
3 determinación Entre 15 y 25 golpes
Las humedades determinadas con relación al número de golpes se grafican de
manera logarítmica y para el valor de 25 golpes se determina el valor de humedad
en el suelo que corresponde al límite liquido.
En lo que respecta al límite plástico, la norma INV E-126/13 establece un
procedimiento para determinar este estado de consistencia. Se debe humedecer
el suelo, se deben formar unos especímenes cilíndricos de 3.2 mm de espesor
que mantengan un espesor homogéneo a lo largo de toda su longitud. El estado
de consistencia es óptimo cuando bajo determinada presión producida por los
Tabla 1. Intervalos limite líquido.
líquido
INV E-125/13.
Figura 2. Curva de flujo.
Geotecnia-Sor-blogspot.com
32
pulgares del operador haga que este espécimen cilíndrico se desmorone. La
constante de límite plástico es también una humedad contenida en el suelo.6
Para la determinación del índice de plasticidad, la norma INV E-126/13 establece
que el resultado de la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico es el
índice de plasticidad.
Donde:
LL: limite líquido
LP: limite plástico
6 Instituto Nacional de Vías, Sección 100 – Suelos, INV E-126/13, Limite plástico e
índice de plasticidad de los suelos, Colombia, 2013.
Figura 3. Limite Plástico.
Figura 4. Índice de plasticidad
INV E-126/13.
33
2.3.2 Método para determinar el grado dispersivo “CRUMB”.
El ensayo de Emerson Crumb (Emerson, 1967) fue desarrollado como un
procedimiento simple para identificar el comportamiento dispersivo en campo,
pero ahora es muy frecuente su uso en el laboratorio.
El ensayo de Crumb entrega una buena indicación del potencial de erosionabilidad
de los suelos arcillosos; sin embargo un suelo dispersivo puede a veces dar una
reacción no dispersiva en el ensayo de Crumb. Si el ensayo de Crumb señala
dispersión, lo más probable es que el suelo sea dispersivo.
El ensayo consiste en preparar un espécimen cubico de 15 mm de lado eligiendo
un suelo secado al aire de igual volumen. El espécimen es colocado
cuidadosamente en alrededor de 250 ml de agua destilada. Se observa la
tendencia de las partículas coloidales para deflocularse y entrar en suspensión. La
tendencia para que las partículas de arcilla entren en suspensión coloidal es
observada después de 5 y 10 minutos de inmersión, usando la siguiente guía de
interpretación:7
GRADO 1: ninguna reacción. El desmenuzado puede desmoronarse y esparcirse
en el fondo del cubilete en amontonamiento plano, sin ningún signo de agua
nublada causada por colídales en suspensión.
GRADO 2: reacción ligera. Simple insinuación de nubosidad en el agua en la
superficie del Crumb.
7 United States Bureau of Reclamation, USBR 5400-89, Crumb Test, USA, 1989.
34
GRADO 3: reacción moderada. Nubosidad de coloides fácilmente reconocible en
suspensión. Usualmente diseminado en trazas delgadas en el fondo del cubilete.
GRADO 4: reacción fuerte. Nubosidad coloidal que cubre casi la totalidad del
fondo del cubilete, usualmente en una superficie muy delgada. En casos extremos
toda el agua del cubilete se vuelve nubosa.
2.3.3 Método para determinar el grado dispersivo “DOBLE HIDROMETRO”
El ensayo del servicio de conservación del suelo de EEUU, también conocido
como ensayo del doble hidrómetro, o el ensayo de dispersión en porcentaje
(norma de la asociación de Australia, 1980). Este ensayo implica dos ensayos del
hidrómetro en suelos tamizados a través de la malla de 2.0 mm. Los ensayos del
hidrómetro sin conducidos con y sin dispersante. La dispersión en porcentaje es:
Figura 5. Ensayo CRUMB.
www.cismid.uni.edu.pe
Figura 6. Dispersión Doble Hidrómetro
www.cismid.uni.edu.pe
35
Donde:
P= porcentaje de suelos más finos que 0.005 mm para el ensayo sin dispersante.
Q= porcentaje de suelos más finos que 0.005 mm para el ensayo con dispersante.
La distribución del tamaño de las partículas es determinada empleando primero el
ensayo estándar de hidrómetro en el que el espécimen de suelo es dispersado en
agua destilada con una fuerte agitación mecánica y con un dispersante químico.
Un ensayo paralelo al hidrómetro es realizado después en un espécimen
duplicado, pero sin agitación mecánica y sin dispersante químico. El “porcentaje
de dispersión” es la relación de transformación de las partículas de 0.005 mm de
diámetro del segundo ensayo al primero, expresado en porcentaje.8
El criterio para la evaluación del grado de dispersión usando los resultados del
ensayo del doble hidrómetro es:
8 Instituto Nacional de Vías, Sección 100 – Suelos, INV E-123/13, Determinación
del tamaño de las partículas de los suelos, Colombia, 2013.
Figura 7. Ensayo Doble Hidrómetro
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36
2.3.4 Método para determinar el grado dispersivo “PINHOLE”
La clasificación de dispersión de Pinhole, conocido también como ensayo de
Pinhole, o ensayo de Pinhole Sherard (Norma de la asociación de Australia, 1980).
Este ensayo fue desarrollado por Sherard el al (1976). Un hueco de 1.0 mm de
diámetro es perforado en el suelo que será ensayado, y a través del agujero se
pasa agua destilada a diferentes cabezas de presión hidráulica durante un periodo
determinado. El suelo es tamizado a través del tamiz de 2.0 mm y compactado
aproximadamente en el límite plástico a una proporción de densidad del 95%.
Figura 8. Determinación de dispersión.
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Figura 9. Ensayo Pinhole
www.cismid.uni.edu.pe
37
El ensayo fue desarrollado para una medida directa de erosionabilidad de los
suelos de grano fino compactados. Es importante que el ensayo sea hecho sobre
suelo con contenido de humedad óptimo, porque si el suelo se encuentra
totalmente seco podría afectar los resultados. Si el material contiene partículas
gruesas de arena o grava, estas deben ser eliminadas tamizando la muestra a
través del tamiz de 2.0 mm. El agua añadida para llevar el espécimen a la
humedad óptima debe ser agua destilada, o en su defecto utilizar agua del grifo.
El grado de dispersión se determina de acuerdo al color del agua que pasa a
través del espécimen de ensayo, el periodo que pasa el agua y el caudal.9
Conociendo estos tres datos se determina de acuerdo a la siguiente tabla:
9 ASTM international, D4647 - 93, Standard Test Methods for Identification and
Classification of Dispersive Clay Solis by the Pinhole Test, (Reapproved 1998),
USA, 1993.
Tabla 2. Clasificación de Dispersividad
ASTM D4647-93
38
3. METODOLOGIA
3.1 DISEÑO DE LA INVESTIGACION
El presente proyecto de investigación se desarrollo con la siguiente metodología:
Recopilación de información sobre la caolinita y las sales de sodio y
magnesio.
Obtención de las muestra de ensayo como la obtención de las sales.
Investigación normativa sobre los ensayos dispersivos que se realizan en el
laboratorio.
Condiciones iniciales del espécimen de ensayo.
Parámetros técnicos para la realización de las soluciones salinas.
Realización de ensayos de caracterización del espécimen de ensayo sin
modificar.
Determinación del grado dispersivo del espécimen modificado con solución
de sal de sodio por medio de los tres métodos de ensayo.
Determinación del grado dispersivo del espécimen modificado con solución
de sal de magnesio por medio de los tres métodos de ensayo.
Análisis de resultados obtenidos.
Planteamiento de conclusiones.
Planteamiento de recomendaciones.
3.2 OBJETO DE ESTUDIO
El objeto de estudio del presente proyecto es la determinación del grado
dispersivo de la caolinita sin modificar y con modificaciones de soluciones salinas
39
de sodio y magnesio. Se utilizan tres métodos de ensayo en donde dos de los
métodos son de tipo cualitativo y no de tipo cuantitativo.
3.3 INSTRUMENTOS
Durante el desarrollo de este proyecto fue necesario utilizar equipos de
laboratorio, los cuales se relacionan en la siguiente tabla:
3.4 HIPOTESIS
La ejecución correcta de los ensayos bajo determinadas condiciones ambientales
arroja resultados óptimos en cuanto a lo que se refiere con la determinación del
grado de dispersividad de la caolinita. Por otra parte el haber desarrollado los
ensayos con los equipos adecuados y estipulados en la norma de ensayo dan
fiabilidad en los resultados obtenidos.
3.5 COSTOS
Para la realización de los ensayos, se conto con recursos destinados
exclusivamente para la adquisición de la muestra de ensayo y las sales para
modificar. Los ensayos no presentaron ningún tipo de costo debido a que dos de
Tabla 3. Instrumentos.
Trabajo de grado.
40
los tres ensayos fueron realizados por mi parte en un laboratorio de ingeniería y el
tercero realizado en el laboratorio de la universidad.
La siguiente tabla muestra los costos de la muestra de ensayo y las sales
utilizadas para modificar el espécimen.
4. TRABAJO INGENIERIL.
4.1 DESCRIPCION DEL SUELO Y CONDICIONES PARA ENSAYO.
La muestra utilizada corresponde a una caolinita de tipo industrial, la cual se utiliza
como anexo para determinar el valor del azul de metileno en agregados finos que
pasa el tamiz de 4.75 mm (N. 4). Este suelo fue tamizado por el tamiz de 2.0 mm y
secado al horno hasta masa constante. A partir de esta condición se realizaron los
ensayos siguiendo las cantidades mínimas requeridas y las especificaciones para
los especímenes de acuerdo a la norma de ensayo.
4.1.1 Determinación del límite liquido, limite plástico e índice de plasticidad.
Para la caracterización de la caolinita se realizo el ensayo de límite líquido y límite
plástico. De acuerdo a lo estipulado en la norma INV E-125/13 e INV E-126/13 se
realizaron 3 determinaciones para límite líquido y dos determinaciones para el
límite plástico.
Tabla 4. Insumos para ensayos.
41
Foto 1. Muestra limite plástico. Foto 2. Muestra limite líquido.
Foto 3. Montaje en la cazuela Foto 4. Muestra en la cazuela
Foto 5. Muestra sin ranurar Foto 6. Muestra ranurada
Foto 7. Ranura cerrada
42
Los resultados obtenidos para el límite líquido, límite plástico e índice de
plasticidad se relacionan en las siguientes tablas:
Foto 8. Amasado espécimen limite plástico Foto 9. Especímenes cilíndricos
Tabla 5. Resultados limite líquido
Tabla 6. Resultados limite plástico
Tabla 7. Resultados índice de plasticidad
43
4.1.2 Densidad máxima y humedad optima de compactación.
Para la determinación de dichas constantes se utilizo un método conocido como
Harvard miniatura, el cual es muy similar al ensayo de proctor estándar (INV E-
142/13), en el cual se moldea un espécimen con un porcentaje de humedad y
luego se compacta en un molde cilíndrico de un volumen determinado. A
diferencia del proctor estándar, la compactación por cada capa se realiza con un
martillo manual que tiene una energía de compactación menor.
Foto 10. Preparación Harvard miniatura Foto 11. Preparación Harvard miniatura
Foto 12. Preparación Harvard miniatura
Foto 13. Preparación Harvard miniatura
44
Los resultados obtenidos para la densidad máxima seca compactada y la
humedad óptima de moldeo se relacionan en la siguiente tabla y en la siguiente
figura:
Tabla 8. Resultados Harvard miniatura
Figura 10. Curva de moldeo
45
4.1.3 Dispersión de la caolinita por el método “CRUMB”
De acuerdo a lo estipulado en la norma de ensayo, se compacto un espécimen
cubico de 15 mm de lado, moldeado con la humedad producto del límite plástico.
Al ser moldeado el espécimen con dicha humedad, se procedió a secar la muestra
al aire y luego se inicio el ensayo utilizando los equipos descritos en la norma.
Foto 14. Espécimen CRUMB Foto 15. Espécimen CRUMB
sumergido
Foto 16. Medida del PH Foto 17. Determinación del PH
46
Adicionalmente al ensayo se le realizo una prueba de PH al agua utilizada y de
acuerdo a la coloración del papel se determino que el agua tiene un PH neutro
(grado 6). Para hacer dicha determinación se utilizo la siguiente tabla:
Los resultados obtenidos con respecto al grado de dispersión por este método
determinaron que el suelo tiene grado 1(ninguna reacción: el desmenuzado puede
desmoronarse y esparcirse en el fondo del cubilete en amontonamiento plano sin
ningún signo de agua nublada causada por coloidales en suspensión).
4.1.4 Dispersión de la caolinita por el método “DOBLE HIDROMETRO”
De acuerdo a la norma de ensayo se tomaron 50 g de caolinita como masa inicial.
La solución de hexametafosfato de sodio se realizo de acuerdo a la norma. (40 g
por 1000 cm3 de agua). La muestra debe estar sumergida en 250 cm3 de la
solución por un periodo no menor a 16 horas. Después de este periodo la muestra
es agitada mecánicamente en una batidora a mas de 10000 rpm por un periodo de
1 minuto. Después la lechada es llevada al cilindro sedimentador y con agua se
lleva a la marca de aforo, que en este caso es 1000 cm3. A partir de ese momento,
en otro cilindro sedimentador se dispone de agua también hasta la marca de aforo,
en donde se colocara el hidrómetro 152H en los momentos en donde no se
realizan lecturas directamente en la solución con agente dispersante y suelo.
Figura 11. Tabla del PH
virtualmarketingpro.com
47
Se toman lecturas en los intervalos de tiempo estipulados en la norma y a partir de
estos datos se calculan los porcentajes pasa por cada diámetro de partícula en
suspensión.
Foto 18. Masa de ensayo Foto 19. Masa de agente dispersante
Foto 20. Solución Hexametafosfato Foto 21. Agitado de solución
48
Foto 22. Agitado de lechada Foto 23. Agitado mecánico de lechada
Foto 24. Agitado manual de lechada Foto 25. Inicio de sedimentación
Foto 26. Sedimentación en 1440 minutos
49
Los resultados obtenidos para el ensayo se relacionan en la siguiente tabla:
Paralelo a este ensayo se realizo la hidrometría para la caolinita sin dispersante y
sin agitación mecánica. En 250 cm3 de agua del grifo se sumergió la muestra y se
dejo por un periodo mayor a 16 horas.
Tabla 9. Resultados hidrometría agitada
Foto 27. Inicio sedimentación Foto 28. Sedimentación en 5 minutos
50
Los resultados obtenidos para la hidrometría sin agitación mecánica y sin
dispersante químico se relacionan en la siguiente tabla:
Foto 29. Sedimentación en 60 minutos
Foto 30. Sedimentación en 1440 minutos
51
Según la fórmula, el grado dispersivo de la caolinita fue no dispersivo debido a que
su porcentaje de dispersión fue menor al 30%. En la siguiente tabla se relaciona
el resultado obtenido por el ensayo.
Tabla 10. Resultados Hidrometría sin agitar
Tabla 11. % pasa 0.005 mm agitado
Tabla 12. % pasa 0.005 mm sin agitar
Tabla 13. Grado de dispersión
52
4.1.5 Dispersión de la caolinita por el método “PINHOLE”
Con los datos obtenidos en el ensayo Harvard miniatura, se procede a compactar
un espécimen para ensayar con la humedad optima encontrada.
Foto 31. Preparación espécimen Foto 32. Compactación espécimen
Foto 33. Compactación espécimen Foto 34. Perforación Pinhole
53
El ensayo se inicia con una presión de 110 mmca y se toma como referencia un
tiempo de 600 segundos. Se toma este tiempo debido a que el agua que pasa a
través del Pinhole no presenta turbidez.
Foto 35. Armado de espécimen de ensayo
Foto 36. Armado de ensayo
54
Pasados los 600 segundos el agua que sale por el Pinhole está totalmente clara,
entonces se aumenta la cabeza de presión a 180 mmca y se toma un tiempo límite
de 300 segundos.
Pasados los 300 segundos, el agua que sale por el Pinhole continua totalmente
clara, entonces se aumenta la cabeza de presión hasta 380 mmca y se deja correr
el agua a través del Pinhole por un periodo de 300 segundos.
Foto 37. Cabeza 110 mmca Foto 38. Turbidez del agua
Foto 41. Cabeza 380 mmca
Foto 40. Turbidez del agua
Foto 42. Turbidez del agua
Foto 39. Cabeza 180 mmca
55
Pasados los 300 segundos, el agua que sale por el Pinhole continua totalmente
clara, entonces se aumenta la cabeza de presión hasta 1020 mmca y se deja
correr el agua a través del Pinhole por un periodo de 300 segundos.
Pasados los 300 segundos, el agua que sale por el Pinhole continua totalmente
clara, entonces se hace el desmonte del espécimen y se analiza el diámetro del
Pinhole para observar si tiene el mismo diámetro que la aguja de penetración o si
ha aumentado.
Los resultados obtenidos nos arrojan una determinación no dispersiva tipo 1 )
ND1, debido a que el caudal final que paso a través del Pinhole fue menor a 3 ml/s
y el orificio fue ligeramente mayor que 1 mm de diámetro. Los resultados se
evidencian en la siguiente tabla:
Foto 43. Cabeza 1020 mmca Foto 44. Turbidez del agua
Foto 45. Diámetro del Pinhole
56
4.1.6 Dispersión de la caolinita modificada con sodio al 10% por el método
“CRUMB”
Para este ensayo se fabrica un espécimen cubico de 15 mm de lado, agregándole
solución salina de sodio al 10% de acuerdo con la humedad del límite plástico.
Esta muestra es secada al aire hasta masa constante y después es sumergida en
250 cm3 de solución de agua más 10% de sal de sodio.
Tabla 14. Resultados Pinhole
Foto 46. Espécimen Crumb Foto 47. Espécimen sumergido
57
La muestra estuvo en inmersión por un periodo de 10 minutos y después de ese
periodo se observo que la muestra no presenta ningún tipo de dispersión por lo
cual se determina el grado 1. Adicional se midió el PH de la solución lo cual arrojo
un grado 7 (neutro).
4.1.7 Dispersión de la caolinita modificada con sodio al 10% por el método
“DOBLE HIDROMETRO”
Como se ha determinado el diámetro de las partículas para la caolinita con agente
dispersante, se realiza un ensayo sin agitar con una muestra de caolinita inmersa
en una solución de sal de sodio al 10%. Se realiza el mismo procedimiento sin
agitación y se toman lecturas de acuerdo a la norma.
Se toman 250 cm3 de agua del grifo y se le añaden 25 g de sal de sodio, seguido
de esto se insertan dentro del vaso de precipitados una masa de 50 g de caolinita
y se deja en inmersión por un periodo no menor a 16 horas. Pasado el periodo, se
Foto 48. Espécimen después de 10 minutos
Foto 49. Determinación del PH
58
trasfiere la lechada al cilindro sedimentador y se llena con agua del grifo hasta la
marca de aforo e inmediatamente se inician las tomas de lecturas.
Foto 50. Inicio de sedimentación
Foto 51. Sedimentación en 5 minutos
59
Los resultados obtenidos se relacionan en la siguiente tabla:
Foto 52. Sedimentación en 60 minutos
Foto 53. Sedimentación en 1440 minutos
60
4.1.8 Dispersión de la caolinita modificada con sodio al 10% por el método
“PINHOLE”
La fabricación de la muestra de ensayo se realiza de la misma forma que se
fabricó para el ensayo de referencia de la caolinita. La humedad de amasado es la
determinada mediante el Harvard miniatura pero en vez de utilizar agua del grifo
se prepara una solución de agua + 10% sal de sodio.
Tabla 15. Resultados Hidrometría
Tabla 16. % pasa 0.005 mm
Tabla 17. Determinación dispersividad
61
El ensayo se inicia con una presión de 110 mmca y se toma como referencia un
tiempo de 600 segundos. Se toma este tiempo debido a que el agua que pasa a
través del Pinhole está totalmente clara.
Pasados los 600 segundos el agua que sale por el Pinhole está totalmente clara,
entonces se aumenta la cabeza de presión a 180 mmca y se toma un tiempo límite
de 300 segundos.
Pasados los 300 segundos, el agua que sale por el Pinhole continua totalmente
clara, entonces se aumenta la cabeza de presión hasta 380 mmca y se deja correr
el agua a través del Pinhole por un periodo de 300 segundos.
Foto 54. Cabeza 110 mmca Foto 55. Turbidez del agua
Foto 56. Cabeza 180 mmca Foto 57. Turbidez del agua
62
Pasados los 300 segundos, el agua que sale por el Pinhole continua totalmente
clara, entonces se aumenta la cabeza de presión hasta 1020 mmca y se deja
correr el agua a través del Pinhole por un periodo de 300 segundos.
Pasados los 300 segundos, el agua que sale por el Pinhole continua totalmente
clara, entonces se hace el desmonte del espécimen y se analiza el diámetro del
Pinhole para observar si tiene el mismo diámetro que la aguja de penetración o si
ha aumentado.
Foto 58. Cabeza 380 mmca Foto 59. Turbidez del agua
Foto 60. Cabeza 1020 mmca Foto 61. Turbidez del agua
Foto 62. Diámetro del Pinhole
63
Los resultados obtenidos nos arrojan una determinación no dispersiva tipo 2 )
ND2, debido a que el caudal final que paso a través del Pinhole fue mayor a 3
ml/s y el orificio fue ligeramente mayor que 1 mm de diámetro. Los resultados se
evidencian en la siguiente tabla:
4.1.9 Dispersión de la caolinita modificada con magnesio al 10% por el
método “CRUMB”
Para este ensayo se fabrica un espécimen cubico de 15 mm de lado, agregándole
solución salina de magnesio al 10% de acuerdo con la humedad del límite
plástico. Esta muestra es secada al aire hasta masa constante y después es
sumergida en 250 cm3 de solución de agua más 10% de sal de magnesio.
Tabla 18. Resultados Pinhole
64
Foto 63. Espécimen Crumb
Foto 64. Espécimen sumergido
Foto 65. Espécimen después de 20 minutos
Foto 66. Determinación del PH
65
La muestra estuvo en inmersión por un periodo de 20 minutos y después de ese
periodo se observo que la muestra no presenta ningún tipo de dispersión por lo
cual se determina el grado 1. Adicional se midió el PH de la solución lo cual arrojo
un grado 6 (neutro).
4.1.10 Dispersión de la caolinita modificada con magnesio al 10% por el
método “DOBLE HIDROMETRO”
Como se ha determinado el diámetro de las partículas para la caolinita con agente
dispersante, se realiza un ensayo sin agitar con una muestra de caolinita inmersa
en una solución de sal de magnesio al 10%. Se realiza el mismo procedimiento sin
agitación y se toman lecturas de acuerdo a la norma.
Se toman 250 cm3 de agua del grifo y se le añaden 25 g de sal de magnesio,
seguido de esto se insertan dentro del vaso de precipitados una masa de 50 g de
caolinita y se deja en inmersión por un periodo no menor a 16 horas. Pasado el
periodo, se trasfiere la lechada al cilindro sedimentador y se llena con agua del
grifo hasta la marca de aforo e inmediatamente se inician las tomas de lecturas.
68
Los resultados obtenidos se relacionan en la siguiente tabla:
4.1.11 Dispersión de la caolinita modificada con magnesio al 10% por el
método “PINHOLE”
La fabricación de la muestra de ensayo se realiza de la misma forma que se
fabricó para el ensayo de referencia de la caolinita. La humedad de amasado es la
determinada mediante el Harvard miniatura pero en vez de utilizar agua del grifo
se prepara una solución de agua + 10% sal de magnesio.
Tabla 19. Resultados hidrometría
Tabla 20. % pasa 0.005 mm
Tabla 21. Determinación grado dispersivo
69
El ensayo se inicia con una presión de 110 mmca y se toma como referencia un
tiempo de 600 segundos. Se toma este tiempo debido a que el agua que pasa a
través del Pinhole está totalmente clara.
Pasados los 600 segundos el agua que sale por el Pinhole está totalmente clara,
entonces se aumenta la cabeza de presión a 180 mmca y se toma un tiempo límite
de 300 segundos.
Pasados los 300 segundos, el agua que sale por el Pinhole continua totalmente
clara, entonces se aumenta la cabeza de presión hasta 380 mmca y se deja correr
el agua a través del Pinhole por un periodo de 300 segundos.
Foto 71. Cabeza 110 mmca Foto 72. Turbidez del agua
Foto 73. Cabeza 180 mmca Foto 74. Turbidez del agua
70
Pasados los 300 segundos, el agua que sale por el Pinhole continua totalmente
clara, entonces se aumenta la cabeza de presión hasta 1020 mmca y se deja
correr el agua a través del Pinhole por un periodo de 300 segundos.
Pasados los 300 segundos, el agua que sale por el Pinhole continua totalmente
clara, entonces se hace el desmonte del espécimen y se analiza el diámetro del
Pinhole para observar si tiene el mismo diámetro que la aguja de penetración o si
ha aumentado.
Foto 75. Cabeza 380 mmca Foto 76. Turbidez del agua
Foto 77. Cabeza 1020 mmca Foto 78. Turbidez del agua
71
Los resultados obtenidos nos arrojan una determinación no dispersiva tipo 2 )
ND2, debido a que el caudal final que paso a través del Pinhole fue mayor a 3
ml/s y el orificio fue ligeramente mayor que 1 mm de diámetro. Los resultados se
evidencian en la siguiente tabla:
Foto 79. Diámetro del Pinhole
Tabla 22. Resultados Pinhole
72
4.1.12 Dispersión de la caolinita modificada con sodio al 25% por el método
“PINHOLE”
Dado que las muestras ensayadas con las soluciones salinas al 10% arrojaron
resultados no dispersivos por el método de Pinhole, se decide realizar
nuevamente el ensayo pero con soluciones salinas al 25%.
Se compacta una muestra modificada con solución salina al 25% de sal de sodio,
dejándola en proceso de curado durante un periodo de 24 horas dentro de la
cámara del dispositivo de Pinhole.
Se inicia el ensayo con una cabeza de presión equivalente a 110 mmca y se deja
correr agua del grifo a través del orificio durante un periodo de 600 segundos.
Foto 80. Cabeza 110 mmca Foto 81. Turbidez del agua
73
Pasados los 600 segundos el agua que salió del dispositivo no muestra ningún
tipo de turbidez, entonces de aumenta la cabeza de presión a 180 mmca y se deja
correr agua a través del Pinhole durante un periodo de 300 segundos y se observa
el grado de turbidez del agua que sale del dispositivo.
Pasados los 300 segundos, el agua que paso a través del dispositivo continuo
mostrando un grado de turbidez nulo, entonces se procede a aumentar la cabeza
hidráulica a 380 mmca y se pasa el agua a través del dispositivo por un periodo de
300 segundos.
Foto 82. Cabeza 180 mmca Foto 83. Turbidez del agua
Foto 84. Cabeza 380 mmca
74
Al pasar el periodo de 300 segundos, el agua que pasa a través del dispositivo
continua totalmente clara, entonces se aumenta la cabeza de presión hidráulica a
1020 mmca y se deja pasar agua a través del dispositivo por un periodo de 300
segundos.
Foto 86. Cabeza 1020 mmca Foto 87. Turbidez del agua
Foto 85. Turbidez del agua
75
Pasados los 300 segundos, el agua que salió no muestra ningún signo de
turbidez, entonces de acuerdo al caudal final que paso a través del Pinhole se
determina el grado de dispersión de la muestra ensayada. Adicional a esto se
corta transversalmente la muestra para poder medir el orificio del Pinhole y ver si
este ha aumentado su diámetro.
Los resultados obtenidos nos arrojan una determinación no dispersiva tipo 2 )
ND2, debido a que el caudal final que paso a través del Pinhole fue mayor a 3
ml/s y el orificio fue ligeramente mayor que 1 mm de diámetro. Los resultados se
evidencian en la siguiente tabla:
Foto 88. Diámetro del Pinhole
Tabla 23. Resultados Pinhole
76
4.1.13 Dispersión de la caolinita modificada con magnesio al 25% por el
método “PINHOLE”
Se compacta una muestra modificada con solución salina al 25% de sal de
magnesio, dejándola en proceso de curado durante un periodo de 24 horas dentro
de la cámara del dispositivo de Pinhole.
Se inicia el ensayo con una cabeza de presión equivalente a 110 mmca y se deja
correr agua del grifo a través del orificio durante un periodo de 600 segundos.
Pasados los 600 segundos, el agua que salió del dispositivo no presenta ningún
tipo de turbidez, por lo tanto se procede a aumentar la cabeza de presión
hidráulica a 180 mmca y se deja pasar agua a través del dispositivo por un periodo
de 300 segundos.
Foto 89. Cabeza 110 mmca
Foto 90. Turbidez del agua
77
Pasado el periodo de 300 segundos, el agua que sale a través del dispositivo no
muestra ninguna señal de turbidez, entonces se procede a aumentar la cabeza de
presión hidráulica a 380 mmca y se deja correr el agua a través del dispositivo por
un periodo de 300 segundos.
Foto 91. Cabeza 180 mmca
Foto 92. Turbidez del agua
Foto 93. Cabeza 380 mmca
Foto 94. Turbidez del agua
78
Pasados los 300 segundos, el agua continua presentando ninguna señal de
turbidez, entonces se procede a aumentar la cabeza hidráulica a 1020 mmca y se
deja pasar agua a través del dispositivo por un periodo de 300 segundos.
Pasados los 300 segundos se observa que el agua no muestra ninguna señal de
turbidez, entonces se procede a hacer un corte transversal sobre la muestra
ensayada, de acuerdo al caudal final que paso a través del Pinhole y el tamaño del
orificio del Pinhole se determina el grado de dispersividad de la muestra.
Foto 95. Cabeza 1020 mmca
Foto 96. Turbidez del agua
Foto 97. Diámetro del Pinhole
79
Los resultados obtenidos nos arrojan una determinación no dispersiva tipo 2 )
ND2, debido a que el caudal final que paso a través del Pinhole fue mayor a 3
ml/s y el orificio fue ligeramente mayor que 1 mm de diámetro. Los resultados se
evidencian en la siguiente tabla:
Tabla 24. Resultados Pinhole
80
5. ANALISIS DE RESULTADOS
Después de realizados los ensayos para determinar el grado de dispersión de la
caolinita y la caolinita modificada con sales de sodio y magnesio, la siguiente tabla
muestra los diferentes resultados obtenidos, los cuales demuestran que aun si se
modifica la caolinita con las soluciones salinas, dos de los tres ensayos realizados
demuestran que no presenta ninguna señal de dispersión. Los ensayos que
tuvieron más relación entre sí fueron los de Crumb y Pinhole, siendo estos
ensayos de tipo cualitativo, mientras que Doble hidrómetro al ser un ensayo
cuantitativo demostró que en los especímenes modificados presenta grado de
dispersión intermedio y grado dispersivo. Se puede decir que en general la
caolinita sin modificar y modificada, presenta una tendencia de aproximadamente
66% de probabilidad de no tener algún grado de dispersividad.
Tabla 25. Analisis de resultados
81
6. CONCLUSIONES
Tras haber ensayado la caolinita sin modificar, se pudo determinar que el
suelo no presenta ninguna señal de ser dispersivo por lo tanto es muy
probable que el suelo sea no erosivo bajo la presión hidráulica.
Solamente los ensayos cuantitativos demostraron algún tipo de grado de
dispersión, lo cual puede llegar a ser un indicio de que el suelo sea
dispersivo.
Cuando se modifica la estructura química del suelo con algún tipo de sales,
en este caso, sal de sodio y sal de magnesio, no demostraron que las
partículas coloidales entraron en suspensión, por lo tanto la colinita no
presenta dispersión alguna.
Después de ensayar bajo los tres métodos, generalmente no concuerdan
los resultados, pero para hacer una determinación del grado dispersivo, el
ensayo de Pinhole resulta ser el más efectivo por ser un ensayo cualitativo
y cuantitativo.
Se observa que existe una relación entre el ensayo de Crumb y el ensayo
de Pinhole, ya que sus determinaciones son muy parecidas.
El ensayo de Pinhole es recomendable para situaciones en donde el agua
estaría corriendo a través del suelo y el Crumb solo para situaciones en
donde el agua permanece estática sobre el suelo.
La caolinita puede llegar a ser muy útil para construir estructuras de tipo
presas y terraplenes, pero su alto costo de explotación y operación, resulta
inviable económicamente para cualquier proyecto.
82
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83
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