| Investigación Básica | https://doi.org/10.21041/ra.v12i2.595 |
Modificaciones de la envolvente de falla en suelos arcillosos con distintos estabilizadores volumétrico
Modifications of the rupture envelope in clayey soils with different volumetric stabilizer Modificações do envelope de ruptura em solos argilosos com diferentes estabilizadores volumétricos
Adrià
Sánchez Calvillo1
,
Elia Mercedes
Alonso Gúzman1
2
*
,
Wilfrido
Martínez2
,
Hugo Luis Chávez
García2
,
Marco Antonio
Navarrete Serás2
,
Mauricio
Arreola Sanchez2
,
Jorge Alberto
Borrego Perez2
,
Luisa
Equihua-Anguiano2
,
Ernesto Alberto
Núñez2
,
O.
Miranda2
1 Faculty of Architecture, Universidad Michoacana San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Mexico.
2 Materials Department, Faculty of Civil Engineering, Universidad Michoacana San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Mexico.
*Contact author: elia.alonso@umich.mx
Recepción:
01
de
marzo
de
2022.
Aceptación:
19
de
abril
de
2022.
Publicación: 01 de mayo de 2022.
| Citar como: Sánchez,A., Alonso,E.,Martínez,W.,Chávez,H.,Navarrete,M., Arreola,M., Borrego,J., Equihua,L.,Núñez,E.,Miranda,O. (2022),“Modificaciones de la envolvente de falla en suelos arcillosos con distintos estabilizadores volumétricos”, Revista ALCONPAT, 12(2), pp. 227–247, DOI: https://doi.org/10.21041/ra.v12i2.595 |
Resumen
Se analizaron modificaciones presentadas por distintos estabilizadores (cal, cemento, fibra de nopal, líticos de río, líticos volcánicos, sulfato de sodio y yeso) en propiedades y envolvente de falla de un suelo arcilloso natural remoldeado de Santiago Undameo, en Michoacán, México. Al suelo arcilloso se le realizó granulometría, hidrometría, pruebas índice, compresión simple y prueba Proctor; a las mezclas estabilizadas se determinó la variación en propiedades índice y envolvente de falla. Las adiciones propuestas mejoraron el comportamiento del suelo altamente plástico, disminuyendo las deformaciones volumétricas e incrementando su resistencia mecánica normal, al cortante y ángulo de fricción interna. La investigación contribuye favorablemente a la restauración de construcciones de tierra histórico-patrimoniales, obra civil, patologías en edificaciones y tecnologías constructivas. La investigación fue realizada en laboratorio bajo normatividad internacional.
Palabras clave:
estabilización de suelos,
propiedades mecánicas,
cortante,
cohesión,
ángulo de fricción interna,
restauración
1. IntroducciÓn
Los suelos arcillosos, también denominados arcillas, son empleados para muchas aplicaciones, entre ellas como material de construcción, y son elementos esenciales para nuestra sociedad desde las primeras etapas de la civilización hasta nuestra época moderna. Diferentes elementos constructivos como el adobe han sido empleados en culturas y lugares muy diversos, como es el caso del continente europeo y el americano, con ejemplos de una antigüedad excepcional (Mauricio, et al., 2021). Podemos encontrar importantes ejemplos del uso de suelos como elementos impermeables en núcleos de presas y cuerpos de agua para la agricultura y para riego, fabricación de cemento Portland, construcción de vías terrestres y carreteras, para elaborar piezas y componentes cerámicos, en la arquitectura vernácula y de tierra, como elementos para restauración de estructuras históricas e inmuebles patrimoniales, para humedales, limpieza y tratamiento de agua.
Debido a su fácil accesibilidad y abundancia del material en muchas y variadas regiones del planeta, los suelos arcillosos cuentan con una excelente apreciación debido a sus propiedades sostenibles y al bajo impacto energético y medioambiental que generan (Costa et al., 2019). Las arcillas son por definición sedimentos minerales constituidos principalmente por agregados de silicatos de aluminio hidratados y granulometría finamente dividida. Adicionalmente, las arcillas cuentan con excelentes propiedades aglutinantes, motivo por el que históricamente han sido utilizadas como materiales cementantes (Sanchez-Calvillo, et al., 2021).
En México, existen diferentes tipos de arcillas las cuales se han utilizado para la construcción a lo largo de tiempo; en especial, en el estado de Michoacán, encontramos la presencia de arcillas en componentes de construcción tales como mampostería de adobe, ladrillos cerámicos, morteros de unión y aplanados de tierra, entre muchos otros. Santiago Undameo, población localizada al nor-oriente del estado de Michoacán cuenta con uno de los bancos de arcilla más importantes de la región debido a la cercanía con la capital del estado, Morelia, (Ver Figura 1) cuyo centro histórico está inscrito en la lista de sitios de Patrimonio Cultural de la Humanidad de la UNESCO, y cuenta con más de 1000 inmuebles con carácter patrimonial, todos ellos construidos con técnicas de edificación tradicionales y coloniales, con un uso extendido de los suelos arcillosos y otros materiales locales de la región.
| Figura 1. (a) Localización del estado de Michoacán dentro de México; (b) Localización del municipio de Morelia, incluyendo Santiago Undameo, dentro del estado de Michoacán. | ||||
Los suelos provenientes de esta localidad cuentan con una proporción de material arcilloso, que por sus propiedades de alta plasticidad presentan inestabilidad provocando cambios volumétricos considerables en contacto con el agua, lo cual suele provocar patologías en edificaciones y obra civil. Históricamente, gran variedad de materiales han sido usados como estabilizantes de las arcillas, para disminuir la alta plasticidad higroscópica que éstas presentan, y consecuentemente reducir la retracción y la expansión lineal y volumétrica en contacto con el agua (Daneels et al., 2020). Esta estabilización es esencial para ámbitos como la arquitectura y construcción con tierra, las bases y subbases de pavimentos flexibles; ya que ayuda a incrementar la durabilidad de estas estructuras a medida que aumentan las resistencias mecánicas (Laborel-Préneron et al., 2021), siendo todas estas propiedades muy apreciadas en el sector de la construcción.
El interés de la presente investigación subyace en la complejidad de los suelos analizados en Santiago Undameo, ya que (históricamente) éstos han presentado una alta plasticidad y consecuentemente deformaciones volumétricas considerables que provocan una afectación en la estabilidad de las construcciones existentes en la región de estudio.
Por otra parte, la arquitectura de tierra en el estado de Michoacán y en general en México, pese a su riqueza, variedad e importancia cultural, ha sido desplazada y abandonada, por lo que es esencial aumentar los trabajos de investigación sobre este recurso sostenible y de fácil acceso a las comunidades. Además, entender el comportamiento de estos suelos arcillosos en combinación con distintos estabilizantes ayudará a mejorar el trabajo de intervención, restauración y comprensión de las patologías existentes.
Existen muchos materiales que se usan como estabilizadores de arcillas para la construcción, muchos de ellos con antecedentes en estudios científicos: cal (Taallah y Guettala, 2016; Navarro Mendoza et. al., 2019), cemento portland (Dao et al., 2018; Jitha et. al., 2020), fibra deshidratada pulverizada de cactus opuntia ficus indica (Ige y Danso, 2020; Li Piani, 2020), líticos de río, líticos volcánicos, sulfato de sodio, y yeso (sulfato de calcio hemihidratado) (Martínez, et al., 2018).
Las estabilizaciones con cemento, cal y soluciones alcalinas son las más comunes a nivel global (Abhilash, et al., 2022), además, en otras investigaciones se han empleado cenizas de bagazo de caña de azúcar como una alternativa en el mejoramiento de los suelos en sus características físicas como el confinamiento, densificación y estabilidad volumétrica, y químicas a través de las reacciones del agente estabilizador (cemento o cal) con el agua (Moraes et al., 2015; Ojeda Farías et al., 2018).
Podemos encontrar una abundante bibliografía acerca del uso de fibras y materiales vegetales, su principal uso siempre ha sido evitar la retracción y fisuración de elementos compactos de edificación, como los adobes, ayudando a mejorar sus capacidades mecánicas (Yetgin, et al., 2008), encontrando varias investigaciones relevantes que lograron mejorar las propiedades de la mampostería (Sharma, et al., 2015; Araya-Letelier, et al., 2021). Sin embargo, actualmente el desarrollo de técnicas mejoradas de construcción en tierra, como es el BTC ha permitido buscar soluciones incluyendo fibras de muy distintos orígenes en combinación con otros estabilizantes como CP o C (Nagaraj, et al., 2014; Taallah y Guettala, 2016; Navarro Mendoza, et al., 2019).
En México, el uso de los productos derivados del cactus opuntia ficus indica, popularmente conocido como nopal, es muy común en la construcción, tanto en forma de mucílagos como de fibras. Una de las formas más frecuentes en la región de utilizar el mucílago es hirviendo la cactácea y adicionando el líquido a las mezclas de morteros, siendo una solución recomendada por las instituciones reguladoras del patrimonio para intervenir y restaurar edificios históricos; con este método se han monitoreado incrementos en la resistencia mecánica y alta trabajabilidad de las mezclas (Martínez et al., 2008). Además, estudios correlativos con otras adiciones y estabilizantes de uso histórico han mostrado un mejor comportamiento mecánico en materiales con la adición del mucílago (Alonso et al., 2002).
En este estudio se utilizaron siete materiales estabilizadores para mejorar el comportamiento de la arcilla de Santiago Undameo en una muestra testigo (MT). Se utilizó cal (C), cemento portland (CP), fibra deshidratada pulverizada de nopal cactus opuntia ficus indica (FN), líticos de río (LR), líticos volcánicos (LV), sulfato de sodio (SS), y yeso (Y) (sulfato de calcio hemihidratado). Para medir los cambios generados en el material analizado se realizaron ensayos triaxiales no consolidados no drenados (UU), hidrometría, granulometría y prueba Proctor tanto para las muestras testigo, como en mezclas mejoradas. El análisis a las muestras adicionadas con diferentes materiales estabilizadores proporcionará información relevante que coadyuve al mejoramiento en las técnicas y utilización de la arcilla como elemento de construcción en obras de carácter moderno y conservación del patrimonio edificado.
2. Materiales y metodologÍa
Las muestras de suelo se obtuvieron del banco de arcilla de Santiago Undameo, localidad muy cercana a la ciudad de Morelia, capital del estado de Michoacán, en México. El banco está localizado en 19°42' latitud norte y 101°11.4' longitud oeste, en la rivera de la presa de Cointzio (ver Figura 2), donde se producen adobes y ladrillos de arcilla recocida hechos a mano (ver Figura 3), que dan lugar principalmente a la vivienda rural de las comunidades cercanas. Después de muestrear y tomar los especímenes de suelos, estos fueron transportados al laboratorio de materiales “Ing. Luis Silva Ruelas” de la Facultad de Ingeniería Civil de la UMSNH, donde se llevó a cabo la presente investigación.
| Figura 2. Ubicación del banco de material en Santiago Undameo (Fuente: Google Earth, 2022). | ||||
| Figura 3. (a) Banco de suelo arcilloso precursor de Santiago Undameo; (b) Producción y elaboración de componentes de construcción. | ||||
Todos los ensayos propuestos en el presente documento se realizaron por triplicado. Las pruebas se realizaron tanto al suelo testigo como posteriormente a los suelos estabilizados. En la Tabla 1 pueden observarse los estabilizadores empleados, así como el porcentaje en peso utilizado para las mezclas diseñadas.
Respecto a los líticos, el LR proviene del banco “El Cuervo” en la localidad de Huajúmbaro, México, coordenadas; longitud (dec): 100.742500, latitud (dec): 19.403333 y 1800 msnm, siendo áridos silíceos de morfología redondeada; mientras que el material LV proviene del banco “Joyitas”, también localizado en el estado de Michoacán, coordenadas; longitud (dec): 101.380000, latitud (dec):19.730000 y 2082 msnm, carretera Morelia-Quiroga, siendo áridos andesíticos con forma irregular.
Es importante destacar que en estudios previos se realizó un barrido con cada una de las adiciones con porcentajes de 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 10% en peso del suelo (Flores Rentería, 2010), para encontrar los contenidos óptimos de cada estabilizante, concluyéndose que los mejores comportamientos mecánicos fueron los indicados en la Tabla 1.
| Tabla 1. Porcentajes de los Estabilizadores en peso. | ||||||||||||||
| Estabilizadores | % Estabilizante | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | 3.0 | |||||||||||||
| CP | 3.0 | |||||||||||||
| FN | 0.5 | |||||||||||||
| LR | 10.0 | |||||||||||||
| LV | 10.0 | |||||||||||||
| SS | 0.5 | |||||||||||||
| Y | 6.0 | |||||||||||||
En la presente investigación se realizaron varias pruebas y ensayos para la caracterización de los suelos, que aparecen representados en la Tabla 2. Todos los ensayos fueron realizados en el laboratorio “Ing. Luis Silva Ruelas” de la Facultad de Ingeniería Civil, UMSNH.
Tabla 2. Ensayos aplicados en la investigación y normas que se siguieron.
Prueba
Norma
Límites de Consistencia y Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS)
ASTM D2487-17
ASTM D4318-17
Granulometría
ASTM C136/C136M-19
Hidrometría
ASTM D7928-17
Triaxial no consolidada no drenada (UU)
ASTM D2850-15
UNE-EN ISO 17892-8:2019
Proctor Estándar variante A
ASTM D698-12
Granulometría < malla nº 200
ASTM D421-85(2007) W2016
Granulometría > malla nº 200
ASTM D 422-63(2007) W2016
La prueba triaxial no consolidada no drenada se realizó con tres distintos confinamientos (σ), para cada una de las mezclas estudiadas, como puede observarse en la Tabla 3. Una vez fallados los especímenes se dejaron en el horno por 24 horas a aproximadamente 105 +/-5 ºC según la normatividad para conocer la humedad.
Tabla 3. Pruebas UU y presiones de confinamiento aplicadas.
Muestra
Confinamiento (kgf/cm2)
1
σ3= 0.3
2
σ3= 0.6
3
σ3= 0.9
La distribución granulométrica del suelo natural testigo, para partículas retenidas en malla ASTM nº 200, se realizó siguiendo la norma ASTM D421-85 (2007) W2016; mientras que el material que sí pasó la malla ASTM nº 200 fue analizado mediante la prueba de sedimentación del hidrómetro, con una duración aproximada de una semana para tomar lecturas periódicas acorde a la norma ASTM D 422-63 (2007) W2016. Para clasificar las muestras de suelo arcilloso, se empleó el SUCS regido por la norma ASTM D-2487-17, siendo este sistema el de uso más extendido en la práctica geotécnica. La resistencia al corte se obtuvo utilizando el criterio de falla de Mohr-Coulomb, ley constitutiva del año 1773 que permite conocer la cohesión (c) y el ángulo de fricción interna (φ).
Por otro lado, para la obtención de los especímenes reconstituidos de las pruebas triaxiales UU, se adicionaron los estabilizadores, homogeneizándose e igualando la reconstitución con el Peso Volumétrico Seco Máximo ((dmáx) y la humedad óptima ((ópt) obtenidos de la prueba Proctor Estándar (variante A). La humedad óptima ((ópt) es el contenido de agua con el que se obtiene el mejor acomodo de partículas y la relación de vacíos mínima (emín) y también de esta manera el mayor peso volumétrico del material seco, para una determinada energía de compactación, y al peso volumétrico correspondiente se le designa como peso volumétrico seco máximo ((dmáx).
El índice de actividad de la arcilla (A) se obtuvo del análisis del hidrómetro, (ASTM D 422-63, 2016) usando la expresión (1). La figura 4 presenta la variación de A para diferentes minerales arcillosos.
En donde:
A= actividad de la arcilla
IP = índice plástico
3. Resultados y discusión
En este estudio, se investigó la modificación de la envolvente de falla en suelos arcillosos con diferentes estabilizadores volumétricos. Por lo tanto, en el transcurso del siguiente apartado se analizarán y discutirán los resultados obtenidos, primeramente, analizando los resultados de las pruebas realizadas al suelo natural remoldeado que actuó como testigo (MT) y posteriormente correlacionando los resultados de las mezclas de suelo también remoldeados, estabilizadas con las siete distintas adiciones.
3.1 Análisis de las muestras de suelos testigo
Los resultados de las pruebas índice se presentan en la Tabla 4, incluyendo la humedad ((), LL, LP, IP, CLin y CVol respectivamente.
En la Figura 5 se presentan los resultados obtenidos de la granulometría gruesa del suelo arcilloso, realizada tamizando el material con mallas ASTM; y la granulometría fina, que se obtuvo a partir de la prueba de sedimentación con el hidrómetro, en escala semilogarítmica. A partir de este último ensayo se obtuvo la A de la arcilla.
Del análisis granulométrico resultó que el 82% del material pasó la malla ASTM nº 200, clasificándose como un suelo fino. Además, los valores del LL e IP, ubicaron al material dentro de la zona CH, según la clasificación SUCS (ver Figura 6). Se llevó a cabo el análisis hidrométrico para obtener la granulometría fina y determinar A de las arcillas. En la Figura 4 se observa que el porcentaje del material que pasa el filtro, menor a 2(m, es de 40% lo que nos indica una cantidad considerable de partículas tamaño micrométrico, dentro de la muestra de suelo natural de Santiago Undameo.
A partir del IP obtenido, con un valor del 32.7%, se obtuvo una A de 0.81 (Expresión 1). De acuerdo a Skempton el mineral corresponde a una illita (ver Figura 4), que presenta una A mucho menor que por ejemplo el caso de una montmorillonita. Las illitas presentan inconvenientes para la edificación debido a su tendencia a colapsar y a los cambios volumétricos que presentan al entrar en contacto con el agua, siendo problemáticas para las obras civiles (Mirjalili et al., 2020).
3.2 Análisis del suelo arcilloso la arcilla adicionando los diferentes estabilizadores
Para clasificar el suelo arcilloso (% que pasa la malla ASTM nº 200) con los diferentes estabilizadores, se realizó la prueba de los límites de Atterberg. Los resultados obtenidos se presentan en la carta de plasticidad de la Figura 6, donde la posición del suelo inalterado y de las mezclas estabilizadas reflejan su clasificación según el sistema SUCS. El suelo natural de Santiago Undameo se clasifica como una CH, coincidiendo con los resultados de la A presentada por el material. Todas las muestras de suelos adicionados quedaron localizadas en la zona CL, mostrando la evidencia del cambio de propiedades que aportan los estabilizantes; sin embargo, la mezcla que contenía FN se encontró muy cerca del límite entre las arcillas de alta y baja plasticidad. Por otro lado, la combinación que corresponde al suelo natural con un 0.5% de SS adicionado, se clasificó como una CL (ver Figura 6), presentando la mayor disminución del LL de 52.2% de la muestra testigo a 40.2% (ver Tabla 5).
En los casos de arcillas estabilizadas no patrimoniales (ya que por su disponibilidad permiten obtener más cuantificaciones que las muestras patrimoniales) pueden buscarse ecuaciones de correlación (Parisi et al., 2020; Vasic et al., 2020) entre los resultados de las distintas pruebas físico-mecánicas (Olacia et al., 2020; Rodríguez et al., 2018; Lan et al., 2020). Las ecuaciones de correlación permiten estimar parámetros, ya sea para validar modelos matemáticos o para encontrar relaciones entre las variables con coeficientes de correlación estadísticamente aceptables, estas correlaciones resultan útiles para estimar los parámetros en proyectos de ingeniería donde se utilicen los suelos arcillosos. Existen varios investigadores que han encontrado ecuaciones de correlación entre las variables del suelo y que les han permitido proponer ecuaciones de correlación con fines prácticos (Akkaya, Özvan, y Özvan, 2019; Chompoorat et al., 2022; Wang et al., 2021; Wu et. al., 2022).
La Figura 7 muestra el conjunto de las propiedades índice de cada una de las mezclas estabilizadas y el suelo testigo de Santiago Undameo. En dicha figura se puede observar que los estabilizantes reducen el contenido óptimo de agua (ω), el LL y el IP; por otro lado, también provocan un comportamiento irregular del LP y las CLin y CVol, lo que podría corresponder a las características particulares de cada adición. Para estas tres propiedades índice (LP, CL, e IP), los valores obtenidos fueron tanto superiores como inferiores al suelo testigo.
La prueba Proctor Estándar determina el contenido de agua necesario para alcanzar el máximo peso específico mediante compactación mecánica (ver Figura 8). En este caso se puede apreciar el efecto de los estabilizadores en la cantidad de agua necesaria y en el incremento o decremento del peso específico máximo posible. Para esta prueba la Figura 8 muestra los comportamientos de la muestra testigo y las mezclas estabilizadas en distintos colores, observando los mayores resultados para LR y los menores para C. Los contenidos óptimos de agua para lograr el máximo peso específico de cada estabilizador se muestran en la Figura 9.
La Figura 9 muestra los resultados de la Prueba Proctor Estándar (variante A), permitiendo percibir el efecto que tienen los estabilizadores en cuanto al peso específico seco máximo ((dmáx) y al contenido óptimo de agua ((ópt) para llevar a cabo su compactación en el laboratorio. Observando el gráfico, podemos discernir una clara disminución del contenido óptimo de agua con la adición de C, CP y FN; dicha disminución de la (ópt impacta también en un menor (dmáx, lo que puede ser atribuido a las propiedades de trabajabilidad y plasticidad que caracterizan a estos materiales, sin perder de vista que el agua es un lubricante para el acomodo de las partículas, el óptimo corresponderá al valor mayor de (dmáx. Tanto el CP como C destacan por mantener cierto grado de fluidez durante determinado tiempo para facilitar su uso durante los trabajos de construcción; además, este mismo comportamiento se ha observado en mezclas de morteros base cal y cemento portland que incorporan FN (Díaz-Blanco, et al., 2019; Knapen y Van Gemert, 2009; Ramírez-Arellanes et al., 2012).
Respecto a los líticos utilizados, es evidente que estos no cambian sus propiedades físicas en presencia de agua, por tanto, no interfieren en la (ópt; sin embargo, sí disminuyen el (dmáx de la muestra sin adición, lo cual se puede atribuir al tamaño de partícula, porosidad y densidad de la misma, puesto que ocupan mayor volumen que el suelo testigo. El SS se puede comportar en cierta medida como un lítico si el agua se agrega a temperatura ambiente, y además su disolución en la muestra puede ser más lenta que el tiempo necesario para la ejecución de la prueba.
La Figura 9 revela pequeñas variaciones del parámetro (dmáx (Miranda, 2017), mientras que los cambios más significativos son los que ocurren con el contenido óptimo de agua (ópt, con variaciones mucho más notables. Este contenido de agua también es necesario para posteriormente obtener el parámetro emín.
3.3 Pruebas triaxiales no consolidadas no drenadas (UU)
Para realizar las pruebas triaxiales UU se utilizaron especímenes reconstituidos, para los ocho casos que consideran al suelo natural más las siete mezclas adicionadas. Se probaron un total de 144 especímenes (ver Figura 10).
En la Figura 11 podemos observar la correlación entre Esfuerzo desviador (σ) y la Deformación unitaria (ε), datos que nos indican el tipo de falla obtenido para cada una de las combinaciones entre el suelo arcilloso testigo y con sus estabilizantes. Las muestras que presentaron una mejora en su plasticidad (CL) presentaron cambios en su comportamiento expansivo. Este comportamiento de las mezclas es muy significativo, ya que puede mejorar a estos materiales e impactar muy positivamente en su uso para aplicaciones de construcción, los estabilizadores pueden ser usados en campo entre muchos otros usos.
Prácticamente todas las mezclas mejoraron su comportamiento en cuanto a esfuerzo a compresión y deformaciones. Es evidente que la mezcla con 6% Y como estabilizante mejora al material rigidizándolo y aumentando su esfuerzo a compresión, esto se observa al presentar una mayor pendiente en la curva descrita por este material.
La estabilización de suelos con yeso no es muy común en la práctica y la información sobre su comportamiento es muy limitada, sin embargo, con los resultados mostrados se ofrece una certeza en su uso, pero es sabido que el yeso es soluble en agua, por lo cual requiere de cuidadosas medidas de protección. Por debajo de las mezclas con Y se encuentran con un comportamiento muy similar las mezclas con C, LR y CP, que son materiales ampliamente utilizados en la estabilización de suelos y se esperaba una mejora en el material, ya que por ejemplo en el caso de mezclas con C, al producirse la reacción de cal y agua el suelo disminuye su permeabilidad y aumenta la capacidad de carga en pocas horas formando finalmente una capa estructural fuerte y flexible (Reginaldo et al., 2018).
En la Figura 12 se muestra un ejemplo de envolvente de falla, utilizando al menos 3 círculos de Mohr para conocer la tendencia de la línea envolvente, y con ella, calcular la cohesión (c) y el ángulo de fricción interna (φ).
A fin de simplificar la observación de las envolventes de falla y su representación gráfica, se presenta la figura 13 con el resumen de resultados de los suelos arcillosos adicionados con los distintos estabilizadores, sin colocar los respectivos 3 círculos de Mohr que dieron origen a la envolvente.
En la Figura 14 se puede comprobar como todos los estabilizadores utilizados mejoran en mayor o menor medida la cohesión. La variación en el nivel de mejora de la cohesión (c) depende de las características particulares de cada estabilizador con respecto a esta materia prima o suelo arcilloso natural. En esta prueba destacaron particularmente los LR, LV, SS y Y. Respecto al ángulo de fricción interna (φ), se observa un comportamiento inversamente proporcional al presentado por la cohesión, dado que los mejores resultados corresponden a la C, CP y Y; estos tres estabilizadores son materiales que reaccionan químicamente con el agua y forman nuevas fases mineralógicas más resistentes mecánicamente, lo cual impacta positivamente en el valor de φ. Resulta muy interesante el hecho de que, Y impacte positivamente en ambas variables, siendo el único estabilizador con este comportamiento.
Cabe mencionar que el incremento del ángulo de fricción interna es más significativo que el incremento de la cohesión, siendo especialmente apreciado y favorable para los usos de los suelos utilizados en la construcción. Esto es debido a que la resistencia mecánica puede variar fácilmente al adicionarse agua a las partículas del suelo, por lo que la capacidad de resistir cobra una mayor importancia debido a la unión entre las partículas del suelo arcilloso.
4. Conclusiones
Los resultados presentados corresponden y se limitan al estudio de los suelos arcillosos de Santiago Undameo, en Michoacán, México. Es importante remarcar que cualquier extrapolación a un material de estudio similar debe ser cuidadosa y basarse en la experimentación directa del mismo. La metodología desarrollada en este trabajo y el grado de innovación de los ensayos respecto al conocimiento de estos materiales pueden ser de gran utilidad en aplicaciones relacionadas con la construcción y la restauración de bienes inmuebles.
Al mejorar un suelo estamos impactando positivamente en nuestro medio ambiente, ya que se logra obtener beneficios ambientales y económicos. por ejemplo, los costos por transporte de los materiales se incrementan sustancialmente con la distancia a la cual se encuentra el sitio de su explotación; se permite, con la estabilización, que aquellos materiales que no cumplen con los requerimientos de normas, como es el caso más frecuente con los materiales que se encuentran in situ, alcancen la resistencia necesaria para que su desempeño, dentro de la estructura del pavimento, sea satisfactoria; o que se logre un mejor comportamiento de estos materiales, disminuyendo espesores de las estructuras de pavimento a construir, lo cual implica que los presupuestos para obras de pavimentación vial se reduzcan de forma significativa y se explote en menor medida las canteras o bancos de material.
Las envolventes de falla a partir de la muestra original (suelo natural remodelado sin estabilizar) permitieron determinar el cambio en el esfuerzo máximo soportado, por medio de la obtención de la cohesión (c) y el ángulo de fricción interna para cada caso (φ), siendo este el principal aporte de la investigación.
Los resultados obtenidos demostraron que seis de los estabilizantes adicionados al suelo arcilloso testigo modifican su clasificación SUCS, transitando de CH a CL. La muestra adicionada con 3% C (hidróxido de calcio) mostró mejores resultados comparado con las otras muestras adicionadas, esto debido a que la mezcla se ubicó cerca de la línea límite entre los limos y las arcillas de baja plasticidad. Por otra parte, FN no presentó grandes modificaciones en las propiedades del material, posicionándolo en el umbral entre la alta plasticidad y baja plasticidad. Los estabilizadores aportan muchos otros cambios en las propiedades de los suelos, sin embargo, la plasticidad es uno de los más importantes, debido a los problemas explicados anteriormente que presentan las construcciones de tierra, la infraestructura, y los inmuebles patrimoniales.
Con las envolventes de falla, se observó un cambio en la cohesión c y en el ángulo de fricción φ, dando como resultado un incremento en la resistencia mecánica de algunas mezclas. Los estabilizadores que propiciaron mayor fricción entre las partículas del suelo (mayor φ) corresponden al Y, C, CP, LR y FN. Por el contrario, LV no aporta incremento de las propiedades mecánicas, resultando en un ángulo de fricción (φ) muy similar al del suelo natural; adicionalmente, SS tampoco tuvo mucho éxito en este cometido.
La adición de algunos estabilizadores garantiza un incremento significativo de las propiedades mecánicas de los suelos expansivos. Para el caso particular de la arcilla en Santiago Undameo, el adicionar C y Y como estabilizantes mostraron mejoras en las propiedades físicas y mecánicas. Estos estabilizadores disminuyen la plasticidad y mejoran la trabajabilidad del material siendo una propiedad muy atractiva para usos de construcción y restauración con cambios estéticos y colorimétricos mínimos. Los dos materiales (C y Y) requieren menor cantidad de energía que otros estabilizantes industriales para su producción, por lo que suponen un menor impacto ambiental siendo más sustentables.
En el caso de adobes para conservación del patrimonio vernáculo mexicano, con problemas de supervivencia y dificultades para estabilización con los materiales históricos tradicionales, se demuestra que la cal sigue siendo la mejor opción para estabilización de arcillas, contrastada contra el CP. Sin embargo, este último ha demostrado su utilidad para otros propósitos, como por ejemplo la elaboración de BTC, una tecnología constructiva de bajo impacto que puede alcanzar resistencias mecánicas considerables y que presenta un mejor comportamiento ante la presencia de agua debido a su proceso de compactación.
Finalmente se puede concluir que las siete adiciones propuestas, al analizarse en el laboratorio bajo normativa internacional ASTM, mejoraron el comportamiento del suelo altamente plástico, al disminuirse las deformaciones lineales y volumétricas y al incrementarse la resistencia mecánica y el ángulo de fricción interna de los suelos arcillosos adicionados. La investigación contribuye favorablemente en el mejoramiento de los suelos arcillosos empleados en la restauración de construcciones de tierra histórico-patrimoniales, obra civil, patologías en edificaciones y tecnologías constructivas.
5. Agradecimientos
Los autores agradecen el soporte financiero de la Coordinación de la Investigación Científica y del Laboratorio de Materiales “Ing. Luis Silva Ruelas” de Facultad de Ingeniería Civil, de la UMSNH; del CONACYT con Proyecto Pronaces 321260 y el Programa de Becas Nacionales; de la SEP, Secretaría de Educación Pública en sus programas Prodep/Promep; así como el invaluable soporte técnico de los Ingenieros O. S. Miranda Leal, F. J. Jerónimo Rodríguez, J. I. Bocanegra Torres y P. García Díaz en las cuantificaciones mecánicas, y del LANCIC-UNAM para la micro caracterización del material.
Referencias
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Figura 4.
Actividad y correlación entre IP y el porcentaje de fracción de la arcilla ( 2 (m (%). (Skempton, 1953).
Tabla 4. Propiedades índice del suelo de Santiago Undameo, México.
Material
w (%)
LL (%)
LP (%)
IP (%)
CLin (%)
CVol (%)
MT
51.15
52.20
19.51
32.69
12.93
42.27
Figura 5.
Análisis granulométrico combinado de suelo grueso y suelo fino de la muestra testigo.
Figura 6.
Carta de plasticidad y localización de las muestras originales y estabilizadas.
Tabla 5. Propiedades índices del suelo y las mezclas con los diferentes estabilizadores adicionados.
Material
w (%)
LL (%)
LP (%)
IP (%)
CLin (%)
CVol (%)
MT
51.15
52.20
19.51
32.69
12.93
42.27
3 % C
44.28
44.44
26.47
17.97
12.05
43.52
3% CP
46.67
46.71
26.29
20.42
12.33
45.46
0.5% FN
49.38
50.17
25.08
25.09
14.86
54.90
10 % LR
41.10
41.30
14.96
26.34
12.31
41.71
10% LV
46.06
46.19
20.89
25.34
10.04
42.98
0.5% SS
40.71
40.20
19.20
20.99
11.02
40.27
6% Y
44.44
43.64
17.84
25.80
12.26
44.72
Figura 7.
Propiedades índice del suelo testigo y las mezclas con los diferentes estabilizadores adicionados.
Figura 8.
Resultados de la prueba Proctor Estándar (variante A).
Figura 9.
Resultados de la prueba Proctor Estándar (Variante A) en función del contenido óptimo de agua.
Figura 10.
144 especímenes de suelos arcillosos con distintos estabilizantes para la prueba triaxial UU (Miranda, 2017).
Figura 11.
Curvas Esfuerzo desviador ( - Deformación unitaria (.
Figura 12.
Envolvente de falla obtenida para el suelo natural, obteniéndose c = 0.65 kgf/cm2 y φ = 22°.
Figura 13.
Comparativa de envolventes de falla del suelo arcilloso de Santiago Undameo, natural (Testigo) y con estabilizadores.
Figura 14.
Valores de cohesión (c) y ángulo de fricción interna (φ) de la muestra testigo y las mezclas con distintos estabilizadores.