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Introducción La estabilización de los suelos en la ingeniería práctica, particularmente en las vías terrestres, ha sido una técnica ampliamente utilizada para mejorar el comportamiento esfuerzo-deformación de los suelos. El mejoramiento de los suelos ha atendido a diversos requerimientos, tales como la resistencia al esfuerzo cortante, la deformabilidad o compresibilidad y la estabilidad volumétrica ante la presencia de agua, entre otros, buscando en todos los casos, un buen comportamiento esfuerzo-deformación de los suelos y de la estructura que se coloque sobre ellos, a lo largo de su vida útil. En los terrenos arcillosos, particularmente en climas áridos o semiáridos, es altamente probable encontrar problemas relacionados con inestabilidades volumétricas ante la ganancia o pérdida de agua. Existen en la práctica diversos métodos para estabilizar a tales suelos; cada método utiliza diferentes agentes estabilizadores, entre los que se pueden encontrar: La cal El cemento Pórtland Productos asfálticos Ácidos orgánicos Resinas y polímeros Sales, entre otros Incluso, se ha utilizado la combinación de diferentes productos estabilizadores, así como la mezcla de suelos con el fin de dar soluciones óptimas a problemas particulares. El presente artículo analiza, de manera breve, el comportamiento de suelos arcillosos, potencialmente expansivos, mezclados con cloruro de sodio. Los suelos estudiados, en el documento in extenso, corresponden a los sitios de El Salitre y Jurica, ambos en el estado de Querétaro, México. Por las limitaciones de espacio, este artículo presenta únicamente parte del análisis para el primero de ellos, mostrando la variación de las propiedades físicas y mecánicas con la adición de sal, para diferentes porcentajes. Se aplicó la sal con dos métodos diferentes, uno con sal diluida en salmuera y otro en grano. La salmuera es una solución compuesta por una cierta cantidad de sal, en peso, por cantidad de agua destilada; y la sal en grano se dosifica, en peso, por unidad de peso seco del material por estabilizar. El método tradicional de adición de sal al estabilizar terracerías, es en peso de sal por peso seco de suelo, en este trabajo se analiza la adición con salmuera con la finalidad de aplicarla, por medio de pipas, directamente al suelo en el agua de compactación. Las propiedades físicas aquí analizadas son los límites de consistencia y, por ende, su clasificación dentro del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) y el Potencial de Hidrógeno (pH), así como las características de compactación de dichos suelos analizados con el ensaye Próctor. Las propiedades mecánicas evaluadas son la resistencia a la compresión y el módulo de resiliencia. Lo anterior, con el fin de tener un panorama general del comportamiento mecánico del suelo tratado con sal, en cuanto a su comportamiento mecánico en capas de terracería en estructuras de pavimento. El documento in extenso, contiene un breve tratado del origen, formación y minerales constitutivos de los suelos, asimismo, se incluye una descripción de los principales tipos de arcillas, así como la físico-química de éstas. Lo anterior, con la finalidad de comprender el comportamiento de los suelos finos estabilizados, motivo del presente estudio. Para los fines del presente estudio, suelo representa todo tipo de material terroso, desde un relleno de desperdicio hasta areniscas parcialmente cementadas o lutitas suaves. Quedan excluidas de la definición las rocas sanas, ígneas o metamórficas, y los depósitos sedimentarios altamente cementados, que no se ablanden o desintegren rápidamente por acción de la intemperie. Clasificación de suelos con fines de estabilización Existen varios sistemas para clasificar a los suelos con fines de estabilización, uno de los más conocidos es el que se basa en el tamaño, forma y arreglo de las partículas y conocido como sistema Northcote, en donde se divide al suelo en los grupos fundamentales siguientes:
Entendiéndose el concepto de textura desde el punto de vista científico geotécnico, a la forma en que están agregadas las partículas de arena, limo y arcilla. Además, la descripción de textura se compone de tres partes: forma, tamaño y grado de desarrollo. Asimismo, se subdivide a estos suelos en subgrupos de acuerdo con algunas características visibles tales como el color, presencia de concreciones, rellenos en las grietas o fisuras, etc., así como algunas características no detectables a simple vista como lo es la alcalinidad o acidez. Cabe mencionar que esta clasificación no ha sido aceptada en forma universal, aunque actualmente se están haciendo algunos esfuerzos para que sea aceptada. Resulta razonable pensar que mientras mejor se conozcan las características físicas y químicas de un suelo mejor se puede emprender el estudio de la estabilización. Parámetros esenciales en el reconocimiento de suelos, según el sistema Northcote El primer paso para la determinación de la composición y propiedades esperadas en un suelo, es el reconocimiento visual y manual, el segundo paso importante es la determinación del tipo de minerales que contiene el suelo, pues de ellos depende en forma directa la estabilidad volumétrica, la cohesión y, en especial la reactividad a la estabilización. La determinación del tipo de mineral, cuando de estabilizaciones se trata, es una herramienta de gran utilidad. Los tipos de minerales se pueden determinar con microscopios electrónicos, difracción de rayos x, espectrometría con rayos infrarrojos y análisis químicos. Sin embargo, en la gran mayoría de los casos y para fines prácticos puede inferirse el tipo de minerales mediante observaciones de campo sencillas. La finalidad de reconocer a los suelos tanto visual como manualmente es permitir tomar decisiones lógicas respecto al tipo de estabilización más adecuado así como las pruebas a efectuar. De esta manera, se pueden lograr economías considerables sin riesgos para el proyectista de la estabilización. Para lograr que el reconocimiento de los suelos sea más efectivo debe complementarse con el conocimiento de las propiedades del suelo y de sus componentes. Características de los materiales estudiados A continuación se describirán las características del material de El Salitre. Características de los Suelos El material que se analizó se obtuvo de muestreos alterados. La razón por la que se escogió este suelo, es básicamente el antecedente de expansividad que ha presentado. El suelo presenta las siguientes características:
La clasificación de acuerdo al SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos) para el suelo en estudio, se muestra en la Tabla 1. Tabla 1. Propiedades índice del material en estudio
Las propiedades índice indicadas en la Tabla 1, se determinaron con el material secado al aire. Características de la sal Las propiedades típicas de la sal utilizada en el experimento son las siguientes:
Expansión libre Para las pruebas de presión y porcentaje de expansión se utilizó el consolidómetro de expansión libre con anillo fijo. Para la determinación de la magnitud de presión y porcentaje de expansión, se utilizó el procedimiento ASTM. Análisis de resultados En este apartado se presentan y discuten las principales propiedades físicas y mecánicas del suelo en estudio, así como la influencia en éstas por la adición de cloruro de sodio, para diferentes porcentajes. Influencia de la sal en los Límites de Atterberg Los resultados de los Límites de Atterberg para el material de El Salitre se presentan en la Tabla 2. Tabla 2. Características de plasticidad para el material de El Salitre
Características de compactación En la Figura 1 se observa que a medida que se incrementa el porcentaje de sal en las probetas, los pesos volumétricos secos resultan ser más altos, para ambos contenidos de agua, sin embargo cuando las probetas tienen 32% de humedad los pesos volumétricos secos resultan más bajos en comparación con los que tienen 24% de humedad; lo cual puede deberse a la posición relativa que estos puntos guardan en el espacio Próctor. Se puede apreciar también que al igual que con la adición de sal en salmuera, el peso volumétrico seco se incrementa con el aumento de la sal en grano. Al comparar los resultados de la adición de sal en grano con los de la sal en salmuera, se observa que los pesos volumétricos secos son mayores cuando se adiciona sal en grano al suelo. Características de expansión De la Figura 2 se desprende que el porcentaje de expansión disminuye con el incremento en el contenido de agua del suelo; además, para el suelo con sal se observan menores porcentajes de expansión. Para la muestra con humedad inicial de 25% aproximadamente se presentan valores de expansión en más del doble respecto a la muestra que presenta humedad de 33%. Lo anterior, muestra lo delicado que puede resultar tratar con suelos arcillosos compactados en la rama seca de la curva de compactación.
Figura 1. Influencia del porcentaje de sal en el peso volumétrico seco del material de El Salitre Módulo de resiliencia y resistencia a la compresión En la Figura 3 se puede observar que el módulo de resiliencia del material disminuye con el incremento del contenido de sal; así se tiene que el valor del módulo decrece de 141,000 kPa a 91,600 kPa en los ensayes que tenían 24% de contenido agua, con 0 y 10% de sal en salmuera respectivamente, lo que representa una disminución del 35%. En el caso de los ensayes que tenían 32% de agua, se observa un decremento del módulo de resiliencia del orden de 70% para contenidos de sal de 0 y 10%.
Figura 2. Relación entre el porcentaje de expansión y el contenido de agua para el material de El Salitre
Figura 3. Influencia del porcentaje de sal en salmuera en el módulo de resiliencia para el material de El Salitre Conclusiones y recomendaciones El cloruro de sodio generó modificaciones, tanto en las propiedades índice como en las mecánicas, en el material estudiado. Se demostró que el periodo de reposo, entre la adición de sal y el ensaye, no afecta a los valores de plasticidad del suelo analizado. Respecto al valor de pH, se observó que la sal tiene un efecto similar, disminuyéndolo, desde un valor de 7.4 hasta 6. Por otro lado, se observó que en las características de compactación del suelo, el peso volumétrico seco aumenta y disminuye el contenido de agua óptimo, con el incremento de la sal. Lo anterior, puede deberse al incremento de los cristales de sal que se suman a los minerales del suelo, y que evidentemente afectan de una u otra manera al contenido de agua y al peso volumétrico seco, quizás solo en apariencia, por una aplicación inadecuada de las definiciones de dichos parámetros para los suelos con sales. Las características expansivas del suelo parecen disminuir ligeramente. Es importante mencionar que el incremento en el contenido de agua de las probetas significó una disminución de las características expansivas, pero en mayor medida, del porcentaje de expansión para el suelo. El módulo de resiliencia tiende a disminuir con el incremento de la sal, independientemente de la manera en la cual se adicione la sal, ya sea en salmuera o en grano. La resistencia a la compresión tiende a disminuir al incrementarse el porcentaje de cloruro de sodio. Con los resultados obtenidos se puede afirmar, que la estabilización de suelos con cloruro de sodio produce diferentes resultados en los suelos así tratados, llegando incluso, a producir propiedades más desfavorables en suelos utilizados en la construcción de vías terrestres. Por lo anterior, siempre será importante realizar análisis previos de la influencia del producto estabilizante, sobre las propiedades de interés del suelo que se quiera mejorar. Es importante mencionar que para este suelo se presenta una disminución de las propiedades expansivas, acentuándose dicha disminución con el incremento de contenido de agua del suelo. Sería posible utilizar esta técnica para contenidos de agua por encima del óptimo de compactación, en donde el factor medular del comportamiento del suelo así tratado sería la permanencia de las características iniciales a lo largo de la vida útil del camino. Se ha mencionado que la sal produce un efecto sobre la tensión superficial en el agua del suelo, de tal manera que minimiza su evaporación. Esto podría ser una característica importante para suelos que se compactan con humedades correspondientes a la rama húmeda de la curva de compactación Próctor. Finalmente, puede afirmarse que, es necesario realizar más estudios sobre la utilización del cloruro de sodio, particularmente en la permanencia de la sal en los suelos y la probable característica de retención de humedad en el tiempo. Bibliografía El-Metwally Abdel-, Aziz Mohamed El-Sekelly; “Characterization of Sodium Chloride Stabilizaed Soils and Soil-Aggregate Mixtures for Low-Volume Roads in Egypt”; Universidad de Leeds, Inglaterra; enero de 1987. Fredlund D.G., Rahardjo H.; ”Soil Mechanics For Unsaturated Soils”; John Wiley & Sons INC, 1993. Preciado, C. H.; Estudio de la influencia de las variables de compactación en las características expansivas de un suelo de Jurica, Querétaro; Tesis de Maestría en ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro, Octubre de 1998. Ingles O.G.; Soil Stabilization, Principles an Practice; Butterworts, Sydney; 1972. Avitia, R.; ”Suelo Cemento”; Instituto Mexicano del Cemento y el Concreto A.C.; Asociación Mexicana de Caminos A.C. J.A. Epps, W.A. Dunlap, B.M. Gallaway, D.D. Currin; Soil Stabilization a Mission Oriented Approach; United States Department of the Air Force. Garnica A. P., Pérez G. N., Gómez, L. J.A.; Módulos de Resiliencia en suelos finos y materiales granulares; Publicación Técnica No.142; Instituto Mexicano del Transporte; Sanfandila, Pedro Escobedo, Querétaro. Garnica A. P., Pérez G. N.; Influencia de las condiciones de compactación en las deformaciones permanentes de suelos cohesivos utilizados en la construcción de pavimentos; Publicación Técnica No.165; Instituto Mexicano del Transporte; Sanfandila, Pedro Escobedo, Querétaro. Standard Test Methods for One Dimensional Swell or Settlement Potential of Cohesive Soils Designation, ASTM D-4546-96. Standard Test Methods for pH for Soils Designation, ASTM D-4972-95a. Paul GARNICA ANGUAS * Síntesis del documento: GARNICA ANGUAS, Paul; Alfonso PÉREZ SALAZAR; José Antonio GÓMEZ LÓPEZ y Edda Yhaaraby OBIL VEIZA, “Estabilización de suelos con cloruro de sodio para su uso en las vías terrestres”, Publicación Técnica No. 201, Instituto Mexicano del Transporte, Sanfandila, Qro., 2002.
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