https://doi.org/10.22463/2011642X.2044
Recibido: 11-10-2015 - Aprobado: 30-11-2015
Como citar:
Quintero-Lemus, L. J., & Gallardo-Amaya, R. J. (2015). Caracterización mineralógica de arcillas expansivas con fines de estabilización. Revista Ingenio, 8(1), 83–92. https://doi.org/10.22463/2011642X.2050
La investigación realizada muestra los resultados de ejercicios experimentales mineralógicos llevados a cabo para caracterizar las arcillas expansivas y evaluar su predominio de minerales. El programa de laboratorio consistió en pruebas para determinar la composición mineralógica mediante ensayos de Difracción de Rayos x (DRX por su sigla en inglés), Análisis TérmicoDiferencial y Microscopia Electrónica de Barrido.El material objeto de análisis correspondió a sedimentos arcillosos abigarrados de color primariamente rojizo, microlaminados, con presencia de lentes de yeso y trazas carbonáceas, pertenecientes a la Formación León (Tol), un complejo terreo terciario de edad Oligoceno. Superficialmente tales materiales revelan distinto grado de erosionabilidad y meteorización y son esencialmente suelos ácidos, susceptibles a experimentar cambios volumétricos por modificaciones en su contenido de humedad, aflorantes en un medio climático de bosque muy seco tropical.Los ensayos destacan que el material ensayado presenta características de alta plasticidad, alta compresibilidad y media a alta expansividad, con minerales de arcilla preferencialmente illiticas y caoliniticas y comportamiento esfuerzo deformación dúctil
Palabras clave:Arcillas expansivas, mineralogía, geología, difracción de rayos x, análisis termo-diferencial, microscopia electrónica de barrido.
The research shows results from experimental mineralogical exercises carried out to characterize expansive clay material and to evaluate its mineral predominance. The laboratory program consists of tests to determine the mineralogical composition by means of X-ray diffraction (XRD for its acronym in English), differential thermal analysis and scanning electron microscopy analysis.The material in this research corresponded to variegated clay sediments, primarily reddish, microlaminated, with the presence ofgypsum lenses and carbonaceous traces, belonging to the Leon Formation (Tol), a Tertiary soil complex from the Oligocene period. Superficially, such materials reveal a different degree of erodibility and are essentially acid soils, susceptible to suffer volume changes due to modifications in its moisture content, outcropping in a very dry tropical forest climate environment.The results emphasize that the tested material shows high plasticity, high compressibility and medium to high expansiveness characteristics, with preferentially illitic and kaolinitic clay material, and ductile stress-deformation behavior. Modelo de frecuencia de accidentes en motocicletas en elcasco urbano del municipio de Ocaña intersections, vehicles flows motorcycles and speed, have a significant influence on the occurrence of traffic accidents where they are involved motorcycles.
Keywords: Expansive clays, mineralogy, geology, X-ray diffraction, thermodifferential analysis, Scanning electron microscopy
Se define un suelo expansivo, como aquel que presenta cambios apreciables de volumen (expansión o contracción), debido al aumento o disminución de humedad. La causa de estos cambios guarda estrecha relación con características físico químicas del suelo, principalmente al gran contenido de finos compuestos por diversos materiales entre los que debemos destacar la montmorillonita (Barreto et al; 1981). La expansión es atribuible a un incremento y disminución de la tensión capilar, que se genera en las zonas límites entre el agua de los vacíos y el aire.
Es decir, cuando un suelo expansivo pierde agua se produce un incremento en la tensión capilar al tratar de absorber el agua necesaria para el equilibrio, trayendo como consecuencia un encogimiento; de manera similar cuando un suelo se haya comprimido y en condición de absorberagua, se produce un relajamiento de la tensión capilar al ganar el agua necesaria para el punto de equilibrio; lo cual produce un hinchamiento. Otra hipótesis referente a la causa de los cambios de volumen, atribuye la expansión al ajuste que tiene lugar entre el agua de poros y la estructura de la montmorillonita, gracias al cambio en sus energías estructurales. (Low; 1972)
A nivel mundial los suelos expansivos son causantes de problemas en diferentes tipos de infraestructura (Chen, 1975). Por ejemplo en la ciudad de Cúcuta, se han identificado daños producidos principalmente por levantamientos o asentamientos diferenciales, inducidos por la interacción suelo-estructura al cambiar las condiciones de humedad del suelo de apoyo (Flórez et al, 2008), debido al grado de potencial de expansión. La figura 1, muestra algunos daños que se producen en las estructuras debido al fenómeno de expansión del suelo
La figura 2 muestra las diferentes formaciones geológicas presentes en la ciudad de San José de Cúcuta.
Ensayos de caracterización física y técnicas como Microscopia Electrónica de Barrido, Análisis Termodiferencial y Difracción de Rayos x, fueron usados para la clasificación e identificación de minerales del suelo en estudio.
Geología GeneralLas arcillolitas de la Formación León, registran, meteorización severa y rasgos erosivos esencialmente hídricos, con geometría de cárcava. Estos estratos arcillosos microlaminados tienen presencia de lentes de yeso, abigarradas untuosas en estado húmedo y friables en estado seco; de media a alta plasticidad y con expansividad media a alta
La figura 3 ilustra el geomaterialanalizado, típico en el sector de los sedimentos de la Formación León. El perfil litológico expuesto, muestra microlaminación; se aprecian fragmentos subangulares de roca arenisca, producto de antiguos movimientos coluviales de la masa térrea en el sectorexplorado; se visualizan raíces y grietas de contracción por desecación, con lineamiento vertical preferencial, interviniendo la totalidad de la longitud del apique excavado
El material expuesto presentó, al momento de su observación, consistencia semisólida
2.2 Características Físicas del SueloPara la toma de muestra se utiliza la simbología de A1M1, la cual indica el número de apique y muestras obtenidas. En la tabla 1 se muestra los resultados obtenidos, donde LL indica el Limite Liquido, LP Limite Plástico, IP Índice de Plasticidad
2.3 Caracterización Mineralógica del SueloPara la preparación de las muestras se procedió a realizar las siguiente rutina: pulverización de la muestra (mortero de ágata); dispersión de 3gr de muestra pulverizada en 50ml de agua destilada; agitación durante 20 minutos; decantación durante 15 minutos; pipeteado del primer cm de la suspensión yvertimiento en portamuestras de vidrio; secado durante 5 horas aproximadamente a 40ºC.
Luego del barrido de la muestra orientada se realiza la impregnación con Etilen Glicol con el fin de determinar la presencia de minerales expansivos, esta se realiza enun desecador con Etilen Glicol al vacio durante 4 horas y se realiza nuevamente otra corrida en el equipo bajo la condiciones de medida para la muestra orientada natural
Después de haberse realizado el barrido de la muestra impregnada con Etilen Glicol, se calienta la muestra a 500ºC durante 4 horas con el fin de determinar Cloritas y Caolinitas. La corrida en el equipo se realiza bajo las condiciones de medida para la muestra orientada.
2.3.2 Análisis Térmico diferencialEn la figura 4 se observa que la mayoría de las muestras se ubican en la zona de la carta por encima de la línea A correspondiendo a suelos CH, los cuales presentan alta plasticidad. Debido a que los resultados quedan próximos a la línea A por encima, sugiere presencia de minerales de arcilla caoliniticase illiticas
Mineralógicamente se determinó la presencia de minerales de arcilla identificados en los espectros de DRX principalmente caolinitas; estructuralmente las muestras presentan una orientación preferencial tipo foliación debido al importante contenido de minerales de arcilla,las estructuras pedogeneticas se hacen más evidentes a aumentos del orden de 2000X donde se identifica microporosidades por efectos radiculares y a su vez una fuerte presencia de siderita. Ver Figuras 6.a y 6.b
Los análisis químicos elementales realizadosa diferentes aumentos indican un alto contenido de hierro para el suelo analizado
Según el capítulo H.9.1.7 de la NSR-10, establece que el suelo expansivo puede alterarse por los siguientes métodos. “Reemplazo (consiste en la excavación y el reemplazo de la capa expansiva, cuando su espesor y profundidad no lo hacen prohibitivamente costoso), Tratamiento con cal (La mezcla superficial de cal con el suelo potencialmente expansivo o su inyección a presión es benéfica, según el estado del suelo y el método de aplicación), Pre-humedecimiento (Supone la expansión previa a la colocación de la estructura y el mantenimiento de esa humedad bajo una placa o un recubrimiento impermeable)
Los investigadores del Grupo de Investigación en Geotecnia Ambiental GIGA-UFPS, desarrollaron una investigación complementaria a este estudio que consistía en estabilizar las arcillas expansivas de la Formación León de la Ciudad de San José de Cúcuta usando cenizas volantes, en el cual se tomó como muestra de estudio las mismas arcillas que fueron base para la caracterización mineralógica
“Las cenizas son granos muy finos, oscilando entre 0.5 y 300 μm, a veces hasta 500 μm, formados por silicatos, óxido de aluminio, óxidos variados y cal libre. Esta última le confiere propiedades puzolánicas, reduciendo así,el índice de expansión del suelo” (Flórez et al, 2008)
Según (Flórez et al, 2008), Se realizaron mezclas en volumen al 20, 25 y 30%. Se agregaron 50 a 100 ml de agua destilada hasta lograr mezcla completa de los dos materiales (ceniza volante y arcilla en estudio); se almacenaron en bolsas plásticas selladas y se mantuvieron a temperatura ambiente. En el Cuadro 3 la tabla 3 se muestran los resultados al pasar 3.5 días de curado.
Tabla 3. Dosificación de Mezcla suelo-cenizas y límites de plasticidad.
En la tabla 3 se nota la disminución de los límites al aumento de la proporción de cenizas agregadas, esto en la mayoría de los casos. La mezcla hecha al 30% en volumen provocó la mayor disminución del índice de plasticidad y del límite líquido.
El efecto de la adición de las cenizas sobre el suelo arcilloso, en un tiempo corto de curado, es beneficioso, ya que reduce en un 18,85% el límite líquido y el índice de plasticidad en un 32,55%, así como la superficie específica se redujo en un 23,86% (Flórez et al, 2008), aumentando así la estabilidad del suelo para los fines requeridos.
4. CONCLUSIONESBasados en los resultados del límite liquido e índice de plasticidad y usando las tablasde Holtz y Gibbs podemos identificar el grado de expansión del suelo, en este caso podemos decir que es un suelo altamente expansivo
La importancia de la estructura del suelo desempeña un papel importante para mejor compresión de los fenómenos asociados ala expansión y al colapso. En el caso de las arcillas expansivas la microestructura y su estado de esfuerzo son aspectos fundamentales para el análisis de su comportamiento.
Para la adición de las cenizas al suelo como técnica de estabilización se debe estudiar el tipo de mineral presente en el suelo ya que está en presencia de taumasita y/o etringita puede producir un retardo en el proceso de estabilización.
Se realizó ensayos mineralógicos arrojando resultados cualitativos sobre la composición mineralógica del suelo en estudio, el cual posee el mineral arcilloso denominado Caolinita con presencia de Illita, el cual este último le da la propiedad al suelo de manifestar cambios de volumen al ser sometido a cambios de humedad-secado
5. FINANCIACIÓNDe igual manera a los Ingenieros Álvaro O. Pedroza Rojas y Ricardo Zarate Caballero; a los laboratoristas de la UFPS Oscar Dallos e Isidoro Rangel, por su asesoría para el buen desarrollo de la investigación.
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Correo: lkquinteroe@ufpso.edu.co