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Introducción
En la naturaleza se han encontrado arcillas altamente erosionables, denominadas como arcillas o suelos dispersivos. Este tipo de suelos fue identificado, por primera vez, en el área de la agricultura aproximadamente hace 100 años, pero se introdujo este tema en el área de la ingeniería civil entre los años de 1940 y 1960 (Garay & Alva, 1999).
A partir de la década de los 70, se empezó a reconocer la relación entre la dispersividad de los suelos y las fallas que estaban presentado algunas represas de tierra en Estados Unidos y Australia a causa de la erosión y tubificación en sus cortinas. En 1972 se empezó a producir información acerca de esta característica de los suelos y a partir de 1976 los estudios de dispersividad se incluyeron en los análisis geotécnicos previos al diseño y construcción de obras civiles que podían estar sometidas a los efectos de la erosión del suelo (Sherard & Decker, 1978).
Los suelos dispersivos generalmente son arcillas de origen aluvial y suelos derivados de rocas depositadas en ambientes marinos. De acuerdo con el mapa de suelos del mundo realizado por la FAO/UNESCO en 1976, se estima que el área total global de suelos salinos es de 397 millones de hectáreas y de suelos sódicos de 434 millones de hectáreas (Tabla 1). Pueden ser encontrados en regiones de Brasil, Vietnam, Australia, México, Tailandia, India, Venezuela y en el sur de Estados Unidos (Abbaslou et al., 2016).
Tabla 1 Frecuencia y extensión de suelos dispersivos en el mundo (Abbaslou et al., 2016)
| Región | Área total | Suelos salinos | % | Suelos sódicos | % |
| Mha | Mha | Mha | |||
| África | 1899.10 | 38.70 | 2.00 | 33.50 | 1.80 |
| Asia, el Pacífico y Australia | 3107.20 | 195.10 | 6.30 | 248.60 | 8.00 |
| Europa | 2010.80 | 6.70 | 0.30 | 72.70 | 3.60 |
| América Latina | 2038.60 | 60.50 | 3.00 | 50.90 | 2.50 |
| Cerca del Este | 1801.90 | 91.50 | 5.10 | 14.10 | 0.80 |
| Norte América | 1923.70 | 4.60 | 0.20 | 14.50 | 0.80 |
| Total | 12781.30 | 397.10 | 3.10 | 434.30 | 3.40 |
En 1977 Sherard & Decker observaron que la mineralogía, las propiedades químicas de la arcilla y la cantidad de sales (disueltas en los poros y en el agua que se infiltra en su estructura) tienen una fuerte relación con la erosión por dispersión de estos suelos (Glez & Novoa, 2008). Por lo tanto, las arcillas que resisten la erosión interna se diferencian de las arcillas dispersivas por el tipo de cationes que contienen, siendo el sodio (Na+) el catión predominante en estas últimas, mientras que en las arcillas ordinarias predomina el Calcio (Ca2+), Potasio (K+) y Magnesio (Mg2+) (Holmgren & Flanagan, 1977; Sherard et al., 1976).
La presencia del sodio aumenta el espesor de la doble capa de agua difusa que rodea la partícula, haciendo que las fuerzas repulsivas excedan a las fuerzas de atracción de tal manera que las partículas entren fácilmente en suspensión en presencia de agua (McElroy, 1987). Esto genera erosión rápida e inesperada, incluso si el flujo es lento, lo que causa inestabilidad en la estructura del suelo, viéndose reflejado en asentamientos diferenciales que causan daños a las obras civiles que utilizan este material como desplante sin un tratamiento previo.
La identificación temprana de los suelos dispersivos permite poder tomar mejores decisiones durante el diseño y procesos constructivos para evitar los problemas que ocasionan. Por ello a lo largo de la historia se han realizado extensas investigaciones sobre métodos de identificación de suelos dispersivos y técnicas para reducir o eliminar esta propiedad perjudicial, siendo más utilizada la estabilización química.
Desarrollo
Metodología para la identificación de suelos dispersivos
Cuando se tiene como propósito identificar la presencia de suelos dispersivos, se debe iniciar con la visita a campo determinando si hay indicadores en la superficie de la presencia de este material. Estos indicadores son: escaza vegetación debido a la salinidad, patrones de erosión inusuales como la presencia de taludes pronunciados formados por cortes profundos causados por la erosión, agujeros en paredes verticales, cuevas y túneles similares al proceso de disolución conocido como Karst, canales de agua natural con curvas cerradas de 90 grados y turbidez excesiva en cualquier almacenamiento de agua (Abbaslou et al., 2016).
Sin embargo, el análisis visual de los indicadores mencionados se dificulta en regiones llanas, donde las arcillas dispersivas se pueden encontrar ocultas cubiertas por una capa de materia orgánica u otro material. Además, valorar las propiedades dispersivas del suelo no se puede realizar visualmente ni usando pruebas de identificación estándar como análisis de tamaño de partículas, límites de Atterberg, y pruebas comparables (Abbaslou et al., 2020). Por esta razón, se han desarrollado métodos específicos para identificar las arcillas dispersivas.
Los métodos físicos más utilizados para determinar la dispersividad en suelos arcillosos son la Prueba de Crumb, la Prueba del Doble Hidrómetro y la Prueba del Agujero Pinhole. Sin embargo, los resultados obtenidos de estas pruebas han dado cierta incertidumbre en la clasificación de la categoría de media dispersividad, debido a la falta de criterios definidos para el caso donde se presentan bajas velocidades de flujo de agua. En tales casos es necesario realizar análisis químicos en conjunto con las pruebas físicas mencionadas (Abbaslou et al., 2020; DJOKOVIĆ et al., 2018). Entre los análisis químicos se encuentran la prueba de Porcentaje de Sodio Intercambiable (ESP) y la Relación de Absorción de Sodio (SAR), estas pruebas son comúnmente usadas en Estados Unidos, Australia y África del Sur (Bhuvaneshwari et al., 2007).
Es importante señalar que para cualquier método los especímenes de suelo deben ser mantenidos y ensayados con su contenido natural de humedad, ya que el secado, especialmente al horno puede alterar las características dispersivas (Sayehvand & Dehghani, 2014).
Pruebas físicas
Prueba de Crumb
La prueba de Crumb (antes llamada Prueba de coherencia agregada) desarrollada por Emerson en 1967, es un ensaye efectivo y rápido para identificar la dispersividad del suelo en campo y en laboratorio, aunque tiene ciertas limitaciones.
Kinney (1979) observó que no todos los suelos muestran reacción de dispersividad por esta prueba, tal es el caso de los suelos que contienen caolinita, del cual se conoce que presenta problemas de dispersividad en campo, a pesar de esto, si el ensaye indica dispersión, el suelo probablemente será dispersivo. Además, no es aplicable a suelos con 12 % o menos partículas que pasan los 0.005 mm y tengan un índice de plasticidad menor o igual a 8.
Este ensaye puede realizarse tanto como para muestras inalteradas (Método A-Procedimiento para muestras de Suelo Natural) y muestras alteradas (Método B-Procedimiento para muestras de Suelo Remoldado) (ASTM D6572-06, n.d.). Consiste en preparar un espécimen cúbico de 15 ± 5 mm de cada lado y cuidadosamente colocarlo en el fondo de un recipiente que contenga 250 ml de agua destilada. La dispersión es obtenida mediante la observación del comportamiento de la reacción del suelo al entrar en contacto directo con el agua, debido a que este comienza a hidratarse y sus partículas de tamaño coloidal tienden a deflocularse y entrar en suspensión (Alabdullah et al., 2022).
De acuerdo con lo anterior, la dispersión puede ser catalogada en 4 grados siguiendo las pautas mencionadas en la Norma ASTM D 6572-06 (n.d.):
Grado 1 (no dispersivo): Sin reacción, el suelo puede desmoronarse y esparcirse, pero no se presenta turbidez por coloides suspendidos en el agua.
Grado 2 (Intermedio): Reacción ligera, se considera como grado de transición. Una suspensión coloidal tenue apenas visible que provoca turbidez cerca de la superficie de la muestra de suelo.
Grado 3 (Dispersivo): Reacción moderada, se observa fácilmente una nube de coloides en suspensión fuera de la superficie de la muestra de suelo que puede extenderse hasta 10 mm de la masa de la muestra a lo largo de la parte inferior del recipiente.
Grado 4 (Altamente Dispersivo): Reacción fuerte, se observa una nube densa y profusa de coloides suspendidos completamente alrededor del fondo del recipiente. La dispersión es tan extensa que es difícil determinar la interfaz de la muestra de suelo original y la suspensión coloidal. En casos extremos toda el agua se vuelve demasiado turbia.
Prueba del agujero Pinhole
Sherard et al. en 1976, desarrollaron esta prueba de laboratorio para medir el potencial de erosión/dispersividad en muestras de suelo compactadas, simulando la acción del flujo de agua a través de tuberías/grietas en el suelo (Maharaj & Green, 2015).
El ensaye consiste en dejar fluir agua destilada a través de un orificio de 1.00 mm de diámetro perforado en una muestra de suelo compactada a un determinado gradiente hidráulico (H) de 50, 180, 380 y 1020 mm. La resistencia a la erosión se determina visualmente por la presencia o ausencia de turbidez del agua que emerge, la medición de las velocidades del flujo y el diámetro final del orificio (Shogui et al., 2013). Si el orificio se erosiona rápidamente y el agua se vuelve turbia, el suelo es dispersivo. Si no hay erosión y el agua se mantiene clara se considerará no dispersivo.
La norma ASTM D 4647-93 (n.d.) indica tres métodos alternativos para clasificar la dispersividad de las arcillas:
Método A:
D1, D2 (Dispersivo): La muestra de suelo falla rápidamente por debajo de un gradiente hidráulico de 50 mm.
ND4, ND3 (Dispersión ligera y/o moderada): La muestra de suelo se erosiona lentamente por debajo de un gradiente hidráulico de 50 o 180 mm.
ND2, ND1 (No dispersivo): La muestra de suelo presenta ligera o nula erosión coloidal debajo de los gradientes hidráulicos de 380 o 1020 mm.
Método B:
D (Dispersivo): La muestra de suelo falla rápidamente por debajo de un gradiente hidráulico de 50 mm.
SD (Dispersión ligera): La muestra de suelo se erosiona lentamente por debajo de un gradiente hidráulico de 180 mm.
ND (No Dispersivo): La muestra de suelo presenta muy ligera o nula erosión coloidal debajo de un gradiente hidráulico de 380 mm.
Método C:
D1, D2 (Dispersivo): La muestra de suelo falla rápidamente por debajo de un gradiente hidráulico de 50 mm.
ND4, ND3 (Dispersivo): La muestra de suelo se erosiona lentamente por debajo de un gradiente hidráulico de 50, 180 o 380 mm.
ND2, ND1 (No Dispersivo): La muestra de suelo presenta muy ligera o nula erosión coloidal debajo de un gradiente hidráulico de 380 mm.
En el método A y C es necesaria la evaluación de la turbidez del agua que emerge, el tamaño final del orificio y la velocidad del flujo para poder clasificar las características dispersivas del suelo. El método B solo requiere la evaluación de la turbidez del agua que emerge y el tamaño final del orificio para poder clasificar las características dispersivas del suelo (Shogui et al., 2013), estos últimos dos factores son considerados los más importantes cuando la prueba se desarrolla en muestras inalteradas.
Se pueden obtener resultados similares en todos los métodos, por lo que cualquiera de ellos puede ser utilizado para clasificar la dispersividad de las arcillas. El criterio de evaluación de los métodos se resume en la Tabla 2 y Figura 1.
Tabla 2 Criterio de evaluación de los resultados de la prueba Pinhole por el Método A y B (ASTM D4647-93, n.d.)
| Grado de
dispersión |
Cargas de
presión estática (mm) |
Tiempo de
Prueba por carga (min) |
Velocidad final
del flujo a través del espécimen mL/s |
Turbidez del flujo al final de la prueba | Ancho del orificio
después de la prueba (mm) |
|
| Lateral | Parte superior | |||||
| D1 | 50 | 5 | 1.00 - 1.40 | Oscuro | Muy oscuro | ≥ 2.00 |
| D2 | 50 | 10 | 1.00 - 1.40 | Mod. oscuro | Oscuro | > 1.50 |
| ND4 | 50 | 10 | 0.80 - 1.00 | Lig. oscuro | Mod. oscuro | ≤ 1.50 |
| ND3 | 180 | 5 | 1.40 - 2.70 | Muy poco visible | Lig. oscuro | ≥ 1.50 |
| 380 | 5 | 1.80 - 3.20 | ||||
| ND2 | 1020 | 5 | > 3.00 | Claro | Muy poco | < 1.50 |
| ND1 | 5 | ≤ 3.00 | Perfectamente claro | Perfectamente claro | 1.00 | |
| Método B | ||||||
| D | 50 | 10 | … | Lig. oscuro a oscuro | Muy oscuro a Mod. oscuro | ≥ 1.50 |
| SD | 180-380 | 5 | … | Muy poco visible | Lig. oscuro | ≥ 1.50 |
| ND | 380 | 5 | … | Claro | Muy poco visible a claro | < 1.50 |
Mod: Moderadamente, Lig: ligeramente
Figura 1 Criterio de evaluación de los resultados de la prueba Pinhole por el Método C (ASTM D4647-93, n.d.)
Sin embargo, este ensaye no es aplicable para suelos con menos de 12 % de partículas que pasan los 0.005 mm y que tengan un índice de plasticidad menor o igual a 4 debido a que dichos suelos presentan poca resistencia a la erosión sin importar sus características dispersivas (ASTM D4647-93, n.d.).
Prueba del doble hidrómetro
La prueba del Doble Hidrómetro, también conocida como el ensaye del Servicio de Conservación del Suelo (SCS) o ensaye de Dispersión en Porcentaje fue desarrollado por Volk G. M. en 1937 (Volk, 1938). Es uno de los ensayes más empleados para determinar el potencial de dispersión de los suelos. Consiste en determinar de manera conjunta la distribución de tamaño de partícula utilizando dos hidrómetros. En uno de los hidrómetros se sigue la prueba estándar de granulometría por hidrómetro de la norma ASTM D4221-99 (n.d.), donde la muestra de suelo se mezcla en agua destilada con un agente defloculante; mientras que en el otro hidrómetro se realiza sin agitación mecánica y sin agregar agente defloculante (Maharaj & Green, 2013).
El porcentaje de dispersión se calcula por medio de la Ec. (1), dividiendo el porcentaje de partículas de 0.005 mm de diámetro, resultado obtenido en el hidrómetro sin defloculante entre el obtenido en el ensaye estándar de granulometría por hidrómetro (ASTM D4221-99, n.d.):
Sherard et al. (1976), citado por Garay-Porteros Hilda y Alva-Hurtado Jorge E. (Garay & Alva, 1999), determinaron el criterio de evaluación para los resultados de los suelos ensayados por esta prueba donde indican que los suelos susceptibles a la dispersión y a las fallas de tubificación presentan un porcentaje de dispersión mayor que 50 %, mientras que los suelos que no son susceptibles presentan resultados menores que el 15 %. El criterio de evaluación del porcentaje de dispersión se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3 Criterio de evaluación de los resultados de la Prueba del Doble Hidrómetro (Garay & Alva, 1999)
| Grado de dispersión | Porcentaje de dispersión |
| No dispersivo | < 30% |
| Intermedio | 30 % - 50 % |
| Dispersivo | > 50 % |
Esta prueba es solo aplicable a suelos con un índice de plasticidad mayor a 4 y que contengan más de 12 % de partículas que pasan 0.005 mm. Si la prueba la realiza varias veces el mismo operador con el mismo equipo y se obtienen resultados distintos, no debe ser considerado como sospechoso a menos que difiera más de 11.10 % de su media (ASTM D4221-99, n.d.).
Pruebas químicas
Prueba de Porcentaje de Sodio Intercambiable (ESP)
Es la técnica analítica frecuentemente utilizada para determinar el potencial de dispersión del suelo. Para obtener el parámetro ESP es necesario tener la Capacidad de Intercambio de Cationes del suelo (CEC) y el sodio intercambiable (Na+) medido en miliequivalentes en una muestra de 100 gr (meq/100g) (Sayehvand & Dehghani, 2014; Siosemarde et al., 2010). Está definido por la Ec. (2):
El criterio utilizado para clasificar los suelos dispersivos por medio del parámetro ESP se muestra en la Tabla 4.
Relación de Absorción de Sodio (SAR)
El SAR es otro parámetro comúnmente evaluado para cuantificar el papel del sodio respecto a la dispersión, cuando sales libres están presentes (Knodel, 1991). Se define por la Ec. (3):
Donde las cantidades de cationes de Sodio, Calcio y Magnesio (Na+, Ca2+ y Mg2+), que se encuentran contenidos en el agua de poro, son expresados en meq/L.
La aplicación del parámetro SAR en la identificación de suelos dispersivos se ve limitada, ya que no es aplicable si no existen suficientes cationes libres en el agua de los poros, lo cual se presenta comúnmente en las arcillas dispersivas, cuyos cationes de sodio están adheridos a la doble capa de difusión de las partículas (Glez & Novoa, 2008).
Se ha demostrado que los suelos son dispersivos si el SAR excede el valor de 2. Esto muestra una razonable relación para los suelos con valores de sales totales disueltas (TDS) entre 0.50 y 3.0 meq/L, pero no para suelos fuera de este rango como se muestra en la Figura 2 (Knodel, 1991).
Método químico de Sherard
Es el método actual para evaluar la influencia química en el comportamiento dispersivo. Ha sido elaborado a partir de observar que el fenómeno de dispersión de la arcilla es químico y la tendencia a la erosión depende de sus propiedades químicas de sales disueltas en el agua de poro. Si se realiza una precisa y correcta interpretación de los resultados de las pruebas químicas se debe obtener una evaluación fiable de la dispersividad del suelo (Ingles et al., 1970).
De acuerdo con este método, el potencial de dispersión es evaluado respecto al tipo y cantidad de cationes presentes en el agua de poro de la muestra de suelo. Para este objetivo, un extracto de saturación se prepara de la muestra de suelo, así sus cuatro principales cationes (calcio, magnesio, sodio y potasio) son determinados en términos de miliequivalentes por litro y la cantidad total de sales disueltas (TDS), así como el porcentaje de sodio (PS) son calculados por la Ec. (4) (Shogui et al., 2013):
Este método se realiza siguiendo los procesos establecidos en la publicación del Departamento de Agricultura de Estados Unidos llamada “Diagnóstico y Mejora de Suelos Salinos y Alcalinos” (Richards, 1954).
La Figura 3 ha sido empleada con éxito en Estados Unidos, donde los datos preliminares de suelos de un área determinada demuestran una buena correlación entre el cuadro de la Figura 3 y el ensaye Pinhole. Sin embargo, no fue acertado para suelos ensayados en el Sur de África y Zimbabwe. Por esta razón se desarrolló un procedimiento para evaluar los efectos de las sales disueltas en el agua de poro sobre el potencial de dispersión, como se muestra en la Figura 4 (Knodel, 1991), aunque a la fecha no ha sido ampliamente usado en Estados Unidos y no se han desarrollado estudios correlativos.
Estabilización química de suelos dispersivos
En el pasado, el uso de los suelos dispersivos en la ingeniería civil no era muy recomendado. Sin embargo, el crecimiento urbano en las últimas décadas ha incrementado la demanda de vivienda, vías de comunicación, servicios básicos y otros tipos de infraestructura, surgiendo la necesidad de utilizar las zonas con presencia de este material.
Para lograr este objetivo se han desarrollado métodos para reducir o eliminar esta propiedad perjudicial del suelo, siendo el más utilizado la estabilización química, que consiste en agregar algún aditivo químico al suelo con la finalidad de formar enlaces con los minerales de la arcilla presentes.
La estabilización química del suelo permite obtener mejores propiedades físicas, químicas y mecánicas en relación con las condiciones medioambientales de servicio. Los aditivos químicos comúnmente utilizados son: Sulfato de aluminio, puzolanas, cenizas volcánicas, zeolita micronizada, cemento portland y cal.
Resultados y discusión
Jafari et. al., en el 2012, evaluaron la estabilización de un suelo dispersivo ubicado en la provincia de Zanjan al noroeste de Irán, aplicando Sulfato de Aluminio (Al2(SO4)3). La evaluación de la dispersividad del suelo la realizaron mediante la prueba del Doble Hidrómetro y análisis químico. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5 Propiedades dispersivas y químicas del suelo encontrado en la provincia de Zanjan, Noroeste de Irán (Jafari et al., 2012)
| Propiedades dispersivas del suelo usado | ||||||||
| Clasificación basada en Prueba Pinhole | Clasificación basada en Prueba del Doble Hidrómetro | Porcentaje de dispersión en Prueba del Doble Hidrómetro | ||||||
| Totalmente Dispersivo D1 | Totalmente Dispersivo | 59.20 | ||||||
| Propiedades Químicas del suelo usado | ||||||||
| SO42- | CI- | TDS | EC | Mg2+ | Ca2+ | K+ | Na+ | pH |
| meq/L | meq/L | % | ms/cm | meq/L | meq/L | meq/L | meq/L | |
| 38.90 | 10.22 | 0.60 | 96.00 | 13.90 | 34.80 | 9.00 | 174.30 | 7.20 |
El material ensayado por la prueba del doble hidrómetro se considera dispersivo al contar con un porcentaje de dispersión mayor a 50 %. Con el análisis químico, aplicando la Ec. (4) se obtiene que el porcentaje de sodio del suelo es igual a 75.09 %. Utilizando el gráfico de la Figura 2, para los valores de PS y TDS calculados se obtiene que el suelo queda localizado en la zona A confirmando que es dispersivo.
La finalidad de agregar sulfato de aluminio al suelo es que, durante el intercambio de iones en la reacción como se muestra en la Ec. (5), el catión trivalente de aluminio (Al3+) reemplace al catión de sodio (Na+). En tal intercambio, la estructura del suelo es cambiada de dispersa a estado condensado debido a que las fuerzas de repulsión y el potencial de dispersión es reducido (Jafari et al., 2012).
En la Figura 5 se observa que el material presenta una reducción de 32 % del porcentaje de dispersión con la adición de 0.60 % de sulfato de aluminio y al incrementar el porcentaje hasta un 3 %, el material comienza a comportarse en su totalidad como suelo no dispersivo.
Figura 5 Resultados de la prueba de doble hidrómetro para evaluar los porcentajes de Dispersión para tiempos de curado de 1 y 21 días respecto al porcentaje de aluminio usado (Jafari et al., 2012)
Vakili et. al., en el 2013, evaluaron la estabilización de un suelo dispersivo ubicado en Boordouzi, Azarbayejan en Irán, aplicando material puzolánico de contenido silíceo. La evaluación de la dispersividad del material la realizaron mediante un análisis químico cuyos resultados se muestran en la Tabla 6.
Tabla 6 Propiedades químicas del suelo encontrado en Boordouzi, Azarbayejan, Irán (Vakili et al., 2013)
| Propiedades químicas de la muestra de suelo dispersivo | ||
| Propiedad | Unidad | Valor |
| pH | 8.50 | |
| Na+ | meq/L | 179.16 |
| K+ | meq/L | 16.89 |
| Ca2+ | meq/L | 21.25 |
| Mg2+ | meq/L | 13.15 |
| Conductividad Eléctrica | meq/L | 20.90 |
| Sales Totales Disueltas | meq/L | 230.45 |
| Relación de Absorción de Sodio | meq/L | 43.20 |
| Porcentaje de Sodio | % | 78.00 |
Utilizando el gráfico de la Figura 2, para los valores de PS y TDS del análisis químico se obtiene que el suelo queda localizado en la zona A, catalogándolo, como dispersivo. El material puzolánico lo agregaron en distintos porcentajes al suelo y realizaron la evaluación de la dispersión mediante la prueba de Pinhole. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 7.
Tabla 7 Determinación del grado de dispersión del suelo mezclado con el material puzolánico silíceo en diferentes tiempos de curado (Vakili et al., 2013)
| Muestra | Día 1 | Día 7 | Día 14 | Día 35 | Día 90 |
| P=2 % | D2 | D2 | ND4 | ND3 | ND3 |
| P=4 % | ND4 | ND4 | ND4 | ND3 | ND3 |
| P=6 % | ND3 | ND3 | ND3 | ND3 | ND2 |
| P=8 % | ND4 | ND4 | ND3 | ND3 | ND3 |
| D2 | ND4 | ND3 | ND3 | ND3 |
D2 = Dispersivo, ND2 = No Dispersivo, ND3, ND4 = Dispersividad Media
Vakili et al. (2013), obtuvieron una reducción de 25.79 % de porcentaje de dispersión agregando 5 % de puzolana a 90 días de curado
Savaş et al. (2018), evaluaron la estabilización de suelo dispersivo encontrado en la región central de Anatolia en Turquía, usando cenizas volcánicas tipo C y F. El estudio se realizó a dos muestras de suelo de sondeos diferentes, de los cuales se valoró la dispersividad utilizando análisis químico. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 8.
Tabla 8 Propiedades químicas del suelo en estudio ubicado en Anatolia, Turquía (Savaş et al., 2018)
| Muestra | Conductividad | pH | TDS | PS | SAR | ESP |
| mmhos/cm | meq/L | % | meq/L | % | ||
| 1 | 9.94 | 9.05 | 72.25 | 95.42 | 55.95 | 47.26 |
| 2 | 1.154 | 8.35 | 10.45 | 46.79 | 3.96 | 7.29 |
Utilizando el gráfico de la Figura 2, para los valores de PS y TDS del análisis químico se obtiene que la muestra 1 queda localizada en la zona A, catalogándolo como altamente dispersivo, mientras que la muestra 2 queda localizada en la zona C con una dispersión intermedia.
Al realizar la mezcla del suelo con las cenizas volcánicas tipo C y F se determinó la dispersión utilizando la prueba de Pinhole y de Crumb. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 9.
Tabla 9 Resultado de dispersión obtenida al mezclar diferentes porcentajes de cenizas volcánicas tipo C y F con el suelo en estudio ubicado en Anatolia, Turquía (Savaş et al., 2018)
| Contenido
de aditivo |
Muestra 1 | Muestra 2 | ||||||
| Clase C | Clase F | Clase C | Clase F | |||||
| (%) | Prueba
Pinhole |
Prueba de
Crumb |
Prueba
Pinhole |
Prueba de
Crumb |
Prueba
Pinhole |
Prueba de
Crumb |
Prueba
Pinhole |
Prueba de
Crumb |
| 0 | D1 | Grado 3 | D1 | Grado 3 | ND4 | Grado 1 | ND4 | Grado 1 |
| 5 | ND3 | Grado 2 | D1 | Grado 3 | ND1 | Grado 1 | ND3 | Grado 1 |
| 10 | ND1 | Grado 1 | D1 | Grado 3 | ND1 | Grado 1 | ND4 | Grado 1 |
| 15 | ND1 | Grado 1 | D1 | Grado 3 | ND1 | Grado 1 | ND5 | Grado 1 |
| 20 | ND1 | Grado 1 | D1 | Grado 3 | ND1 | Grado 1 | ND6 | Grado 1 |
| 25 | ND1 | Grado 1 | D1 | Grado 3 | ND1 | Grado 1 | ND7 | Grado 1 |
| 30 | ND1 | Grado 1 | D1 | Grado 3 | ND1 | Grado 1 | ND3 | Grado 1 |
En este estudio se obtuvo que la ceniza clase C es más efectiva para la estabilización de suelos dispersivos, ya que reduce el grado de dispersión de 3 a 1 utilizando un 10 % de aditivo, mientras que al utilizar la ceniza tipo F no se observa disminución de esta propiedad en el suelo.
Gidday & Mittal (2020) evaluaron la estabilización de un suelo dispersivo ubicado en el área de Arba Minch y Derashe Woreda, Etiopía, utilizando como aditivo cal. Las propiedades dispersivas del suelo en estudio se obtuvieron en 5 muestras de suelo de sondeos diferentes por medio de la prueba del Doble Hidrómetro y análisis químico. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 10.
Tabla 10 Propiedades químicas del suelo en el área de Arba Minch y Derashe Woreda, Etiopía (Gidday & Mittal, 2020)
| Descripción | Unidad | P-1 | P-2 | P-3 | P-4 | P-5 |
| Prueba del doble hidrómetro | % | 54.70 | 69.20 | 58.80 | 66.30 | 48.80 |
| SAR | % | 15.80 | 14.30 | 14.31 | 20.32 | 18.94 |
| PS | % | 62.11 | 67.65 | 67.44 | 70.10 | 61.60 |
Se observa que las muestras por medio de la prueba del doble hidrómetro tienen porcentajes de dispersión mayores a 50 %, lo que indica que son altamente dispersivos y de igual manera mediante el parámetro SAR se comprueba su dispersividad, ya que tiene valores mayores a 15 %.
Los resultados de la evaluación de la dispersividad con los distintos contenidos de cal se muestran en la Figura 6 y Tabla 11.
Figura 6 Resultado de la prueba del doble hidrómetro para la determinación del grado de dispersión del suelo mezclado con cal en tiempos de curado de 7 y 14 días (Gidday & Mittal, 2020)
Tabla 11 Influencia de la cal y tiempos de curado sobre la dispersión del suelo (Gidday & Mittal, 2020)
| Contenido
de Cal (%) |
Pozo-2 (Suelo MH) | Pozo-4 (Suelo CH) | ||
| Periodo de curado | Periodo de curado | |||
| 7 días | 14 días | 7 días | 14 días | |
| Dispersión (%) | Dispersión (%) | |||
| 0 | 69.20 | 69.20 | 66.30 | 66.30 |
| 3 | 55.38 | 52.60 | 51.55 | 50.05 |
| 5 | 48.73 | 45.80 | 45.16 | 42.98 |
| 7 | 44.91 | 39.89 | 39.20 | 36.00 |
| 9 | 42.60 | 33.20 | 35.72 | 31.09 |
Se obtuvo de este estudio que el contenido de cal ideal para estabilizar el suelo ronda entre el 7 y 9 % presentando aproximadamente una reducción de la dispersión de 26.60 % a los 7 días de curado y de 36 % a los 14 días de curado.
Es importante señalar que el espesor de la capa activa y superficie a estabilizar utilizando alguna de las técnicas de estabilización revisadas en este artículo, dependerá de la ubicación y tipo de proyecto, ya que se deberá tener en consideración la magnitud de esfuerzos que se aplicarán y las condiciones climáticas de la región.
En cuanto al proceso constructivo para su aplicación podrá utilizarse procedimiento similar a los indicados en el manual de estabilización de suelo tratado con cal publicado por Nacional Lime Association (National Lime Association, 2004).
Conclusiones
El estudio de los suelos dispersivos a lo largo de la historia ha llevado a lograr tener una base de datos que sirven para conocer con claridad el fenómeno químico que ocurre en su estructura al entrar en contacto con el agua y los problemas que ocasionan en las obras civiles y así contar el día de hoy con pruebas de laboratorio estandarizadas que son utilizadas en todo el mundo.
Para un análisis preciso es recomendable la utilización simultánea de pruebas físicas y químicas, siendo las más utilizadas la prueba de Pinhole, Doble hidrómetro y la determinación de TDS y PS. Sin embargo, por el tipo de equipos necesarios en estas pruebas de laboratorio impide poder realizarlas en campo, además de que su tiempo de ejecución es relativamente largo, dando como lugar a que la prueba de Crumb sea la prueba índice más rápida y práctica para realizar en campo, pero no se deben tomar decisiones solamente con resultados de esta prueba.
A partir de los estudios que se han realizado se puede deducir que, en los suelos dispersivos estabilizados, sus propiedades evolucionan favorablemente con el tiempo y por el contrario su grado de dispersión se va reduciendo. El aditivo que da mejores resultados es el Sulfato de aluminio, ya que solo se necesita agregar un 3 % para eliminar la dispersión en su totalidad en el primer día de curado, seguido de la cal que con 7 a 9 % reduce 26.60 % y 36.00 % de la dispersión en los días 7 y 14 de curado, respectivamente, y por último está la puzolana que con un 5 % reduce la dispersión en 25.79 % en 90 días de curado.
Sin embargo, para poder determinar cuál aditivo es el más recomendable a utilizar en una obra civil, se debe realizar una evaluación económica y obtener una relación costo-beneficio, ya que de manera general todos los compuestos cumplen con el objetivo de reducir el grado de dispersión del suelo.
Para determinar el espesor de la capa activa y superficie a estabilizar quedará a criterio del ingeniero geotécnico, el cual deberá considerar la magnitud de los esfuerzos y condiciones climáticas a las que estará sujeto el proyecto.
De los estudios realizados se puede observar una tendencia a seguir mejorando las propiedades del suelo conforme va pasando el tiempo, por lo cual se puede plantear la hipótesis de que la reducción en el porcentaje de dispersión del suelo irá en aumento.
