8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

ANÁLISIS QUÍMICO Y MICROESTRUCTURAL DE SUELOS ARCILLOSOS DEL VALLE DE MÉXICO.

López-Palacios L., Sánchez-Cruz P., Méndez-Sánchez A. F.*, Pérez-Trejo L., Paniagua-Mercado A. M.º, Guzmán-

Castañeda J. I.

Escuela Superior de Física y Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Adolfo López Mateos, Edif. 9 col. Lindavista CP. 07738, México D. F., México, ºCentro de Asimilación Tecnológica-FESC,

Universidad Nacional Autónoma de México, Cuautitlán, Edo. de Méx., México. *e-mail: arturo@esfm.ipn.mx

RESUMEN Las propiedades mecánicas de los suelos se fundamentan en la composición química de los mismos y en las propiedades físicas de las partículas que los constituyen. Particularmente, su dinámica y el inicio de un deslizamiento de tierra o ladera están estrechamente relacionados con la variación de algunas características como la composición química, el tipo de arcillas y las propiedades de cohesión y adhesión entre las partículas que los componen. En este trabajo se presentan resultados de análisis químico y microestructurales obtenidos mediante microscopia electrónica de barrido (MEB) de dos arcillas localizadas en el Valle de México, la primera muestra corresponde a la zona de Xico en Chalco, mientras que la segunda pertenece al paraje las Galicias en Cuajimalpa. El interés especial por estudiar las características químicas y físicas de estas arcillas radica, principalmente, en entender los efectos tixotrópicos que éstas exhiben y su relación con los esfuerzos de cedencia como generadores de derrumbes y deslizamientos originados por las altas precipitaciones pluviales típicas en estas regiones del Valle de México. PALABRAS CLAVE: Esfuerzo de cedencia, deslizamientos de tierra, flujo de lodos, prueba de asentamiento.

INTRODUCCIÓN

Como es bien sabido, las propiedades mecánicas de los suelos se fundamentan en la composición química de los mismos y de las propiedades físicas de las partículas que los constituyen. Particularmente, su dinamica y el inicio de un desplazamiento de tierra o ladera están estrechamente relacionadas con la variación de algunas características como son, la composición química, estructura (tipo de arcillas), las propiedades de cohesión y adhesión entre partículas constituyentes de los suelos. Sin embargo, estas propiedades se ven afectadas de gran manera cuando factores físicos externos los modifican, a saber, la geomorfología de la zona, las precipitaciones pluviales, la deforestación (ya sea por incendios o provocada por el hombre) y por la sismicidad de la zona. Por lo tanto, entender el comportamiento mecánico de los suelos altamente densos en arcillas es bastante complejo. Inclusive estos sistemas pueden ser estudiados como sistemas de suspensiones altamente concentradas desde un punto de vista reológico [1]. De ahí que resulta muy importante conocer las propiedades físicas y químicas de los de los suelos arcillosos, especialmente, la plasticidad de estos materiales y el esfuerzo de cedencia son características muy particulares e importantes de los suelos, asimismo dentro de las suspensiones altamente concentradas. Dzuy y Boger[2], mencionan aplicaciones en donde determinar el esfuerzo de cedencia es muy importante en líneas de operación tales como las arcillas rojas o barros. Asimismo, mencionan la presencia de fenómenos como la tixotropía, el deslizamiento y un comportamiento viscoso adelgazante en suspensiones de barro rojo altamente concentradas, también, muestran que el esfuerzo de cedencia se incrementa rápidamente en función de la concentración de las arcillas. Sutanov y Khusanov [3], establecieron modelos de la deformación desde un punto de vista del medio contínuo para describir los cambio en las características mecánico-físicas de los suelos ocurridos durante el mojado de los suelos. Estos autores, consideraron que el grado de mojado ejerce un marcada influencia sobre el estado de esfuerzo-deformación, lo que conduce a cambio en las propiedades mecánicas y físicas de los mismos, ellos reportaron buena correlación entre sus resultados experimentales y el modelo propuesto por estos autores. Por otra parte, diversos trabajos de suelos sujetos a cargas dinámicas o estáticas han sido realizados con la finalidad de determinar el esfuerzo de cedencia o las fuerzas de cohesión entre las partículas que los constituyen encontrando efectos tales como tixotropía entre otros [4,5]. Como puede verse, un tema que parcialmente no ha sido estudiado es la cedencia que experimenta un suelo arcilloso bajo su propio peso, el cual está íntimamente ligado con el inicio del flujo que experimenta una ladera. Tampoco ha sido objeto de estudio la relación que existe entre la cedencia y la variación con las propiedades mecánicas, físicas y químicas. El presente trabajo estudia las propiedades químicas de suelos arcillosos y su interrelación con el esfuerzo de cedencia así como los efectos tixotrópicos de este tipo de suelos como detonadores de un deslizamiento de tierra.

EXPERIMENTACIÓN

Las muestras que se estudiaron pertenecen a dos lotes de arcilla localizados en el valle de de México, el primero en el cerro de Xico, en Chalco Edo. de Mexico y el segundo en las Galicias Cuajimalpa D.F. En la figura 1 se muestra la ubicación geográfica de estas zonas. La arcilla de Xico se distingue por que es resultado de depósitos de actividad volcánica del cretacio superior, no obstante, la arcilla de Galicias, es de tipo cuaternaria y pertenece a las denominadas rocas ígnea extrusiva.

Figura 1. Los círculos ubican las zonas geográficas sobre el Valle de México de las Galicias en Cuajimalpa

(superior) y del cerro de Xico en Chalco (inferior).

Se prepararon muestras para concentraciones de 24.5% y 25% en peso de agua, para ambas muestras. Posteriormente, se determinó la densidad de cada muestra, asimismo, se llevaron acabo pruebas de asentamiento, Esta prueba consiste en llenar un tubo de altura conocida H, luego se retira el tubo y se deja que la muestra se colapse bajo su propio peso, se mide el asentamiento s que sufre la muestra. A partir de este experimento, se puede determinar el esfuerzo de cedencia o límite elástico de cada muestra, mediante la ecuación (1).

'21

21' sy −=τ (1)

Donde τ’y es el esfuerzo de cedencia normalizado por la cantidad ρgH y s’ es el asentamiento adimensional de la muestra (normalizado por H), el esfuerzo de cedencia τy se obtiene al multiplicar por ρgH. Una explicación completa de esta prueba puede encontrarse en diversas fuentes [6]. Experimentos de asentamiento en función del tiempo fueron realizados para ambas muestras, inicialmente, se determinó el esfuerzo de cedencia a las muestras de arcilla y posteriormente se les aplicó una cierta cantidad de trabajo mecánico, y se determinó nuevamente este esfuerzo para diferentes tiempos, ya que la variación del esfuerzo de cedencia en función del tiempo, permite mostrar el comportamiento tixotrópico de la muestra y su capacidad de recuperación o reversibilidad. También, se realizaron experimentos de microscopía electrónica de barrido (MEB) y se realizó un microanálisis de las muestras por medio de un equipo EDS unido al MEB. En la tabla 1 y 2, se muestra la composición química de cada arcilla. Finalmente experimentos de difracción de Rayos-X fueron realizados para determinar las fases de las arcillas, para ello se empleó un espectrómetro marca GBC modelo MMA.

Tabla 1. Tabla de composición química para la arcilla de Xico.

Zona Composición Química (Wt%) Wt C O Na Mg Al Si K Ca Total

Xico % 1.4 9.91 0.65 2.54 2.75 21.39 4.57 56.79 100

Tabla 2. Tabla de composición química para la arcilla de las Galicias.

Zona Composición Química (Wt%)

Wt C O Na Mg Al Si K Ca Fe Total Galicias % 22.23 37.74 1.7 0.38 8.27 21.81 0.92 2.09 4.88 100

RESULTADOS Y ANÁLISIS

Los resultados de las micrografías obtenidos por MEB a diferentes aumentos, se muestran en las figuras 2 y 3 para las muestras de Xico y las Galicias respectivamente. De la figura 2a se analizan el tamaño de partícula, se puede ver que los valores predominantes varían entre 30 y 40 micras, no obstante, la distribución de tamaños inicia desde 100micras. También, se puede observar que la morfología de las partículas es de tipo granular esférica (2b), en donde se observa que tiene una conformación laminar fibrosa. En contraste, en la figura 3a y 3b de la muestra de las Galicias, se puede ver que los tamaños de partícula son mayores, pues éstos están el intervalo 150-250 micras, sin embargo, los tamaños son mucho mayores alcanzando valores de hasta 500micras. Asimismo, estas partículas también tienen una morfología esférica y una conformación fibrosa, aunque no es claro si la conformación de éstas es de placas, o varillas. Es de mencionar que el tamaño de partícula está relacionado con la plasticidad de la muestra [7]. Este hecho fue observado durante la determinación de las pruebas de cedencia, ya que la muestra de Xico mostró mejores propiedades plásticas que la muestra de Galicias, por lo que tamaños menores a 100micras, favorecen la plasticidad.

Figura 2. Micrografías obtenidas por MEB a 250x y 1000x aumentos, se muestran el tamaño de partícula y la conformación fibrosa para la muestra de Xico.

Figura 3. Micrografías obtenidas por MEB a 125x y 500x aumentos, se muestran el tamaño de partícula y la conformación fibrosa para la muestra de las Galicias.

Por otro lado, en la figura 4, se muestran los difractogramas de rayos X, para determinar los compuestos, la figura 4a) muestra el difractograma para la muestra de las Galicias, se puede notar que presenta componentes de cristobalita, óxido y silicato de calcio, illita y óxido de aluminio, mientras que la figura 4b) presenta los resultados

a) b)

a) b)

para la muestra de las Xico, aquí, predomina la cristobalita (3 tipos), tridimita (2 tipos), montmorillonita, bentonia y nontronita. Asimismo, Singer et al. [ceramicos], menciona que materiales como la illita son materiales que possen menores propiedades de plasticidad que la montmorillonia, esto también está de acuerdo con lo observado en este trabajo como anteriormente se mencionó.

Figura 4. Espectro de rayos X para las muestras a) las Galicias, b) Xico. En la figura 5, se presentan los resultados de los experimentos de cedencia en función del tiempo para las muestras a) Galicias, b) Xico una vez que se les aplicó trabajo mecánico, excepto los puntos iniciales, ya que estos fueron sin trabajo mecánico. De estos experimentos es posible determinar el efecto tixotrópico de la muestra debido a la dependencia temporal que éstas presentan. De la figura 5a) se observa que el esfuerzo de cedencia se incrementa y luego decrece una vez que se realizó el trabajo mecánico, este tipo de comportamiento responde a al llamado anti-tixotrópico o reopéctico. Además, los tiempos en que sucede este cambio son relativamente cortos y menores a 10 minutos (600 s), por otro lado, no es evidente que una recuperación de la muestra se alcance, es decir, existe un reordenamiento en la muestra que podría ser resultado de la formación de una red tridimensional multiconectada por lo que el esfuerzo de cedencia disminuye a tiempos posteriores y es probable que nunca recupere su estado inicial. Por otro lado, la figura 5b) presenta los resultados de la muestra de Xico, en este caso el comportamiento tixotrópico es evidente (ver gráfica insertada), sin embargo, se observa que una vez que se rompe la estructura por el trabajo mecánico difícilmente podrá recuperar su estado inicial, ya que su recuperación aunque existe, es mucho menor que la recuperación que presenta la muestra de Galicias. En este caso también puede ser resultado de la cohesión de las partículas por la presencia del catión de Ca en la muestra de Xico, lo que genera al mismo tiempo el rompimiento de estructura. Singer [7] reporta que unos autores estudiaron el efecto de los cationes sobre el límite elástico y mostraron que éste es creciente para elementos tales como: Li, Na, Ca, Ba, Mg, Al, K, Fe, NH4 y H, en nuestro caso, la muestra de Xico presenta mayor contenido de Ca, en comparación con la de Galicias, por lo que es de esperarse que la muestra de Xico presente un límite elástico mayor y por consecuencia el esfuerzo de cedencia será mayor. Precisamente, este resultado es evidente en los puntos iniciales de la figura 5, que corresponden al límite elástico de cada muestra, ya que estos valores fueron medidos sin trabajo mecánico. De estos resultados se puede ver que la cohesión de las partículas de diferente tamaño, además de la presencia de cationes como es el Ca, incrementa marcadamente el efecto tixotrópico en la muestra, por lo que efectos externos en este tipo de suelos arcillosos (Xico) tales como las vibraciones causadas por sismicidad o por vibraciones generadas por el tránsito de carga de alto tonelaje, pueden causar un disminución repentina en el esfuerzo de cedencia y /o un rompimiento de estructura evidenciando el efecto tixotrópico, lo que da lugar a un derrumbe o deslizamiento de tierra. Si a este hecho se le suma el efecto que tiene el catión de aumentar el límite elástico, la disminución del esfuerzo de cedencia será en magnitud mayor y la caída será más abrupta. esta observación esta en buen acuerdo con resultados obtenidos previamente [8], por lo tanto, de los presentes resultados, la zona de Xico es de mayor riesgo que la zona de las Galicias y es sensitiva a la presencia de vibraciones .

a) b)

0 20 40 60 8055

60

65

70

75

80

85

x60

ESFU

ERZO

DE

CE

DEN

CIA

(PA)

TIEMPO (s)

GALICIAS

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

40

60

80

100

120

140

160

180

-50 0 50 100 150 200 250 300

40

60

80

100

120

140

160

180

x60

ESFU

ERZO

DE

CEDE

NCIA

(PA)

TIEMPO (s)

XICO

x60

ES

FUE

RZO

DE

CE

DEN

CIA

(PA

)

TIEMPO (s)

Figura 5.Esfuerzo de cedencia en función del tiempo para analizar el efecto tixotrópico, a) Galicias b) Xico. El eje de

tiempo debe multiplicarse por 60 como se indica en el gráfico.

CONCLUSIONES

Se estudió el efecto tixotrópico a partir del esfuerzo de cedencia de dos arcillas pertenecientes al valle de México, y se mostró que tanto la composición química y el tamaño de partícula son factores que favorecen este tipo de comportamiento y por lo tanto afectan a las propiedades de cohesión y adhesión de las partículas. Además, este tipo de comportamiento tixotrópico puede favorecer un derrumbe de la tierra especialmente cuando se encuentra en presencia de vibraciones. Sin embargo, mayor investigación en esta dirección debe realizarse para obtener un panorama más amplio de los efectos responsables y determinar la influencia de los cationes.

REFERENCIAS

1. R. D. Larson, “The structure and rheology of complex fluids”, Edit. Oxford Science Publications N.Y., (1999).

2. N. Q.Dzuy y D. V. Boger, "Yield stress Measurement for concentrated suspensions", Journal of rheology, 27(4), 321-349, 1983.

3. K. S. Sultanov, B. E. Khusanov, "State equations for soils prone to slump-type settlement with allowance for degree of wetting", Soil mechanics and foundations engineering, vol 38, No 3, 80-86, 2001.

4. R. J. Krizek, "rheologic behavior of cohesionlees soils subjeted t odynamic loads", transacction of the society of rheology 15(3), 491-540, 1971.

5. J. Engmann, C. Servais, A. S Burbidge, "Squeeze flor theory and applications to rheometry: A review", J. of non-Newtnian Fluid Mech. 132, 1-27, (2005).

6. N. Pashias, D. V. Boger, "A fifty cent rheometer for yield stress measurement," J. rheol. 40 (6), 1179-1189, 1996.

7. F. Singer y S. S. Singer, “Cerámica industrial,” traducido por J. Domínguez S., 1979, edit. URMO S.A. de C.V., Bilbao, España, Cap. 2 y 3.

8. L. López-Palacios, P. Sánchez-Cruz, A. F. Méndez-Sánchez, I. Rivera-Martínez, L. Pérez-Trejo, A. M. Paniagua-Mercado, “Caracterización del esfuerzo d ecedencia en suelos arcillosos de alto riesgo en el valle de México,” por aparecer en las memorias del 8vo congreso de la cibim, lima Perú, octubre, 2007.

UNIDADES Y NOMENCLATURA τ’y Esfuerzo de cedencia (adimensional). τy Esfuerzo de cedencia (Pa). H Altura del cilindro (m). s Altura de asentamiento (m). s´ asentamiento normalizado por H (adimensional). g Constante de gravedad 9.81 (m/s2). ρ Densidad (kg/m3). θ Angulo (Grados).