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IdentificaciónyEstabilizacióndeSuelosDispersivos:EstadodelArte

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YoermesGlezHaramboure

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Identificación y Estabilización de Suelos

Dispersivos:

Estado del Arte

Autor: Ing. Yoermes González Haramboure

Profesor Instructor de la Facultad de Ingeniería Civil del ISPJAE, Ciudad de La Habana

Coautor: MSc. Ing. Rolando Armas Novoa

Profesor Consultante de la Facultad de Ingeniería Civil del ISPJAE, Ciudad de la Habana.

Resumen: Las arcillas dispersivas constituyen un tipo de suelo

frecuente en la naturaleza. Sus propiedades físico-químicas les

confieren un comportamiento inestable en presencia de un flujo

hidráulico. Sin embargo, estos suelos se caracterizan por una baja

permeabilidad, lo cual induce a su frecuente y errónea utilización

en la construcción de presas de tierra. Una vez en presencia del

flujo de filtración, el arrastre de materia conduce inevitablemente

a la falla de la estructura por sifonamiento mecánico. En Cuba,

una presa ha fallado de forma catastrófica y otras se mantienen

con bajo nivel de explotación por esta causa. Por ello, resulta vital

identificar estos suelos en la etapa previa a su utilización. En

casos que resulte conveniente utilizarlos en lugar de otros

materiales cuyo acarreo sería costoso, es necesario eliminar el

comportamiento dispersivo mediante su estabilización geotécnica.

La presente investigación realiza un bosquejo sobre los ensayos de

identificación de suelos dispersivos y los métodos que existen para

estabilizarlos.

Palabras Claves: Pinhole, arcillas dispersivas, estabilización de

suelos, sifonamiento de presas.

I. INTRODUCCIÓN

Los suelos arcillosos son considerados resistentes a la

erosión que ocasiona el flujo de agua a través de los mismos.

Esto se debe a la baja permeabilidad que los caracteriza. Sin

embargo, algunos suelos arcillosos demuestran una marcada

tendencia hacia la dispersión o defloculación en presencia de

agua relativamente pura, y son susceptibles de ser arrastrados,

creando conductos que facilitan el flujo de filtración y por

ende el fallo por sifonamiento. La tendencia a la erosión por

dispersión de estos suelos está en función de la mineralogía y

las propiedades químicas de la arcilla que contiene, así como

del tipo y cantidad de sales disueltas en los poros y en el agua

que se infiltra [34]. La principal diferencia entre las arcillas

dispersivas y las que ordinariamente resisten la erosión interna

radica en el tipo de cationes disueltos en el agua intersticial,

adheridos a la doble capa de difusión de la partícula. En las

dispersivas predominan los cationes de Sodio (Na+), mientras

que en las ordinarias predominan los cationes de Calcio (Ca2+

),

Potasio (K+) y Magnesio (Mg

2+) [19], [33].

Los cationes de Sodio (Na+) tienen valencia 1

+, por lo que la

fuerza electrostática que lo fijan a la partícula sólida de arcilla

es menor que la que ocurre en el caso de los cationes de Calcio

(Ca2+

), y Magnesio (Mg2+

), con valencia 2+. Además, se

necesita un mayor número de cationes de Sodio para satisfacer

la carga electrostática de la partícula de arcilla. Por tal razón,

los cationes (Na+) son más propensos a ser arrastrados por el

agua que los cationes (Ca2+

) y (Mg2+

).

Figura 1: Comportamiento de los iones de Sodio y Calcio adheridos a la

partícula de arcilla [18].

En comparación con el Potasio (K+), los cationes de Sodio

tienen menor radio, por lo que tienen mayor tendencia hacia la

interacción ión-dipolo con las moléculas de agua. Por tanto,

CCIA’2008 2

aunque los cationes de Sodio (Na+) y Potasio (K

+) tienen igual

valencia 1+, los primeros son arrastrados con mayor facilidad.

Con la salida de los cationes de Sodio disminuyen las

dimensiones de las partículas de arcilla y las fuerzas que las

enlazan, formándose oquedades que facilitan su arrastre. El

flujo de agua con bajo contenido de sales, activa y acelera el

proceso, incluso con cargas hidráulicas muy bajas, creando

pequeños conductos que con el tiempo se convierten en

grandes sifones y ocasionan pérdidas de volúmenes de agua e

inestabilidad en las masas de suelo. El agua remanente es

turbia, cargada con una suspensión coloidal de partículas de

arcilla entre las que median fuerzas electrostáticas de repulsión

[17]. Los cationes de sodio disuelto no son tan efectivos como

los de otros elementos al neutralizar la carga de los coloides,

por lo que las partículas de arcilla continúan repeliéndose y la

suspensión es estable [8]. En presas de tierra construidas con

estas arcillas se origina el “sifonamiento mecánico”, una de las

causas de falla catastrófica en este tipo de estructuras.

Las arcillas dispersivas son conocidas por los ingenieros

agrónomos desde el siglo XIX, aunque el fenómeno de

dispersividad no fue interpretado hasta mediados del siglo XX

[31], [37]. La importancia de este fenómeno para la ingeniería

civil e hidráulica fue reconocida por primera vez en la década

de 1960`, cuando se investigó en Australia el fallo por

sifonamiento de pequeñas presas homogéneas de arcilla [1].

II. ORÍGEN DE LAS ARCILLAS DISPERSIVAS

Las arcillas dispersivas no están definitivamente asociadas a

una formación geológica específica y han sido encontradas en

depósitos aluviales, sedimentos lacustres, depósitos de loess y

llanuras diluviales. Con frecuencia se ha encontrado en el agua

de los poros de rocas calizas y esquistos originarios de

depósitos marinos el mismo contenido de sales que en las

arcillas dispersivas y el suelo residual de estas rocas es

también dispersivo [23]. En Zimbabwe las arcillas dispersivas

han sido asociadas con granitos y rocas areniscas [10].

Resulta especulativo afirmar que estas arcillas deban su

origen a rocas que estuvieron, en algún tiempo geológico,

sumergidas en el mar, donde adquirieron los niveles de sodio

que las caracterizan.

III. UBICACIÓN GEOGRÁFICA

Los primeros estudios asociaron las arcillas dispersivas a

suelos formados en climas áridos y semiáridos, y en áreas de

suelos alcalinos. También se han encontrado en varias

regiones de clima húmedo. Países como Australia, Tasmania,

México, Trinidad, Vietnam, Sudáfrica, Tailandia, Israel,

Ghana, Kenya, Brasil, Venezuela y varias regiones del sur de

los Estados Unidos, han experimentado problemas con las

arcillas dispersivas en sus obras hidrotécnicas. En Zimbabwe,

más del 60% de los suelos han sido identificados como

dispersivos [10].

En Cuba se ha encontrado arcilla dispersiva en la provincia

de Camagüey [11], específicamente utilizada en los terraplenes

de las presas Buen Tiempo [12], Caonao, Dique Barroso, San

Juan de Dios, y Las Cabreras [13], [14]. Esta última falló

completamente, en junio de 1993, debido al fenómeno de

sifonamiento mecánico [3], mientras que las otras se

mantienen fuera de explotación. En Granma, la presa Cauto El

Paso tiene arcillas dispersivas en 9km de su dique izquierdo

[7], por lo que se mantiene unos metros por debajo del nivel

de agua para el cual fue diseñada, perdiéndose así la

explotación varios millones de metros cúbicos.

Debido a que las arcillas dispersivas han sido encontradas

en muestras de los más diversos orígenes, puede afirmarse que

estas son representativas de gran variedad de formaciones

geológicas en el mundo.

IV. IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS DISPERSIVOS

En la naturaleza resulta difícil detectar la presencia de suelos

dispersivos. En áreas de topografía irregular la erosión

superficial del agua forma angostos canales en forma de

espinazos dentados que se profundizan rápidamente y llegan a

formarse micro-túneles. Los depósitos de aguas someras

producto de la lluvia muestran una turbidez persistente. En las

regiones llanas no se observan evidencias superficiales de las

arcillas dispersivas, debido a que estas se encuentran ocultas

por las capas de humus, materia orgánica u otros materiales, de

cuya matriz han sido lavadas las partículas dispersivas [23].

Según Armas Novoa, en Cuba, en regiones de la provincia

de Camagüey donde existen arcillas dispersivas, la vegetación

del suelo es pobre debido a la salinidad del mismo, lo cual

también puede ser un indicador de la presencia de material

dispersible.

Figura 2: Taludes erosionados y agua turbia debido a presencia de arcillas

dispersivas [25].

Los suelos dispersivos no pueden ser identificados por

apreciación visual ni por los ensayos de rutina en cualquier

obra de la ingeniería civil, tales como el análisis

granulométrico o los límites de Atterberg [2], [17]. Esto, unido

a la baja permeabilidad inicial que los caracteriza (antes de ser

expuesta al flujo hidráulico), constituyen las causas principales

de que hoy existan presas de tierra y otras obras afectadas por

el fenómeno de dispersividad de los suelos con que fueron

construidas. El fallo de algunas de estas obras obligó a los

ingenieros a crear nuevos ensayos de laboratorio para

identificar y valorar la presencia de arcillas dispersivas en los

suelos utilizados como material de construcción de obras

hidrotécnicas. A continuación se describen de forma general

estos ensayos.

1. Ensayo de Crumb [15], [16].

También conocido como “ensayo de desmenuzamiento”,

consiste en preparar un espécimen en forma de cubo, de unos

15mm de arista (1/4” a 3/8”) secado al aire y temperatura

ambiente. Se sumerge en un recipiente con agua destilada.

CCIA’2008 3

Pasados 5 a 10 minutos, se observa la tendencia de las

partículas de arcilla a formar una suspensión coloidal,

enturbiando el agua. La dispersividad de la muestra se valora

según la siguiente guía:

Grado 1: No se observa reacción. La muestra se

desmorona y esparce en el fondo del recipiente sin

enturbiar el agua.

Grado 2: Reacción ligera. Débil turbulencia en el agua

próxima a la superficie del terrón.

Grado 3: Reacción moderada. Turbulencia coloidal en

suspensión, fácilmente distinguible, y que se esparce

por el fondo del recipiente.

Grado 4: Reacción fuerte. La turbulencia cubre el

fondo del recipiente y puede llegar a expandirse en

todo el volumen de agua.

El ensayo de desmenuzamiento adolece de un problema de

apreciación y en sus resultados influye la pericia de la persona

que lo realiza. No obstante, se encuentra normado según el

United States Bureau of Reclamation [36].

2. Ensayo del Doble Hidrómetro.

Este ensayo fue desarrollado por G. M. Volk, en 1937 [37],

y ha sido muy utilizado por el Servicio de Conservación de

Suelos (S.C.S.) de los Estados Unidos desde 1940 [2]. Está

normado según la ASTM D 4221-99 [26].

Consiste en determinar la distribución por tamaño de las

partículas del suelo en cuestión, mediante el Ensayo Normado

de Hidrómetro [27], y paralelamente realizar un segundo

ensayo de hidrómetro a una muestra idéntica, pero sin

agitación mecánica ni dispersante químico. A partir de los

resultados de ambos hidrómetros, se calcula el “porcentaje de

dispersión” como la razón entre el porcentaje de partículas de

0,005mm de diámetro, obtenido en el segundo hidrómetro,

respecto al de partículas de igual diámetro, obtenido en el

primero.

Figura 3: Curvas granulométricas obtenidas en un suelo mediante el

Ensayo del Doble Hidrómetro [17].

Según la figura 3, el “porcentaje de dispersión” se calcula:

Porcentaje de dispersión = 100B

A

Donde A y B son los porcientos de partículas de 0,005mm

de diámetro obtenidas en el segundo y primer hidrómetro,

respectivamente.

Para evaluar el grado de dispersión en este ensayo se adopta

la relación que se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1: Relación entre el “porcentaje de dispersión” y el carácter

dispersivo del suelo.

La interpretación física del ensayo es la siguiente: cuanto

más próxima es la relación B

A a la unidad, mayor capacidad

de dispersión tiene el suelo, al no requerir de agente químico

dispersante o agitación mecánica para asemejar los resultados

del hidrómetro en su estado natural con los del Ensayo

Estándar.

Existe una variante del ensayo del doble hidrómetro,

conocida como el Ensayo del Triple Hidrómetro [17], que

incluye un hidrómetro con agua de río. Sin embargo, este

ensayo triple no está normado ni es de uso corriente.

3. Ensayo de Pinhole.

Este ensayo ha sido el más difundido gracias a la fiabilidad

de sus resultados. Fue creado por Sherard [33], y desarrollado

posteriormente hasta convertirse en un ensayo físico común en

obras hidráulicas. Está normado según la ASTM D 4647-93,

USBR 5410-90 y NC-54-370:1987 (es el único ensayo,

referido a suelos dispersivos, con Norma Cubana).

Consiste en hacer pasar agua destilada a través de un

agujero de 1mm de diámetro, abierto a lo largo de una muestra

cilíndrica, de 1” de longitud (25,4mm). El agua se hace pasar

con cuatro cargas hidráulicas diferentes: 2”, 7”, 15” y 40”

(50mm, 180mm, 380mm y 1020mm), comenzando por la

menor, y sostenidas durante un intervalo de tiempo. El

resultado del ensayo se evalúa por la turbidez del agua, la

velocidad del flujo y el tamaño final del agujero de la muestra

(Figura 4).

Las arcillas dispersivas pueden ser detectadas por los

resultados del ensayo bajo carga de 2” (50mm), pues el agua

que emerge de la muestra será visiblemente turbia y no se

aclara con el tiempo, y el agujero de 1mm se ensancha hasta

alcanzar los 3mm y más. En las arcillas ordinarias, resistentes

a la erosión, el agua que emerge es clara, o se hace clara en

unos pocos segundos, y el orificio apenas se ensancha. Las

arcillas muy resistentes a la erosión no enturbian el agua, el

agujero no se erosiona y la velocidad del flujo a través del

mismo permanece constante [2].

La Tabla 2 muestra una guía para clasificar el suelo según su

dispersividad a partir de los resultados del ensayo de Pinhole.

La clasificación resultante puede resumirse en tres grupos

característicos, tal y como se observa en la Tabla 3.

Figura 4: Esquema del equipo del Ensayo de Pinhole.

Tabla 2: Criterios para clasificar los suelos a partir del Ensayo de Pinhole [2].

Tabla 3: Clasificación del suelo según resultados del Ensayo de Pinhole.

El Ensayo de Pinhole es muy simple de reproducir y sus

resultados categorizan en el grupo correspondiente con pocas

posibilidades de errores de apreciación por parte del personal

técnico que lo realiza [2].

Basados en el principio de funcionamiento del equipo

Pinhole, un grupo de investigadores de la Universidad de

Wollongong, Australia, ha creado un nuevo equipo que

denominaron “Aparato de Simulación del Proceso de Falla por

Erosión Interna”, (PSAICE, por sus siglas en inglés) [20]. El

diagrama de funcionamiento de este aparato se muestra en la

Figura 5.

Mediante este aparato, se realiza el ensayo haciendo pasar el

fluido erosivo (agua destilada) a través de un agujero de 10mm

de diámetro, que atraviesa la muestra cilíndrica por su centro.

El agua destilada es previamente bombeada hacia un tanque

móvil que regula y mantiene la carga hidráulica constante

durante todo el ensayo. Dos transductores de presión son

conectados a los extremos de la muestra, y para medir el índice

de erosión en tiempo real (es decir, en el transcurso del

ensayo) se coloca un medidor electrónico de turbidez o

“turbidímetro” en el conducto de salida del agua hacia el

recipiente colector, cuyo contenido es controlado mediante

una balanza electrónica. Los transductores, el “turbidímetro” y

la balanza electrónica se acoplan a un sistema receptor-

procesador de datos.

CCIA’2008 5

Figura 5: Esquema del Aparato de Simulación del Proceso de Falla por

Erosión Interna [20].

Los autores de este experimento han desarrollado una

relación entre la concentración de sólidos en el agua

remanente y la turbidez de la misma para calcular el índice de

erosión del suelo.

Como puede observarse, este ensayo tiene las mismas bases

que el de Pinhole, aunque con un despliegue tecnológico que

lo facilitan y permiten salvar cualquier error de apreciación

mediante una adecuada calibración de los equipos medidores,

lo que hace aconsejable su implementación y normalización.

4. Ensayos Químicos [2], [23].

En la década de los 60` del siglo XX, investigadores

australianos reconocieron la presencia de Sodio intercambiable

en el agua de los poros de suelo como factor determinante del

carácter dispersivo de los mismo [1], [22], [30]. Para

cuantificar su efecto, definieron diferentes parámetros, entre

ellos, el “porcentaje de Sodio intercambiable” (ESP, por sus

siglas en inglés), como:

100CEC

NaESP

donde CEC es la “capacidad de intercambio catiónico”, y Na+

es la cantidad de cationes de sodio que existen en la muestra

de suelo, medidos ambos en meq/100g.

Mediante repetidos ensayos determinaron que los suelos con

ESP≥10% son susceptibles de tener un contenido de sodio

libre, que será lixiviado por el flujo de agua relativamente

pura, y los clasificaron como dispersivos.

Los criterios de clasificación de las arcillas según su

dispersividad a través del “porcentaje de sodio

intercambiable” (ESP) se muestra en la Tabla 4.

Tabla 4: Grado de dispersividad en función del porcentaje de sodio

intercambiable [23].

Otro parámetro evaluado para cuantificar el efecto del sodio

en la dispersividad de las arcillas es el “índice de absorción de

sodio” en el agua de los poros (SAR, por sus siglas en inglés).

2

22 MgCa

NaSAR

donde Na+, Ca

2+ y Mg

2+ son las cantidades de cationes de

Sodio, Calcio y Magnesio contenidos en el agua de los poros

(expresadas en meq/l).

Este método no es aplicable si no existen suficientes

cationes libres en el agua de los poros, lo cual puede ocurrir en

las arcillas dispersivas cuyos cationes de sodio están adheridos

a la doble capa de difusión de las partículas. Esto limita

enormemente la utilización del parámetro SAR. Igualmente,

discordancias entre este método y el del “porcentaje de sodio

intercambiable” han ocasionado que ambos sean poco

utilizados [10].

Muy difundida entre especialistas agrícolas es la estimación

del “porciento de sodio” en el agua intersticial, a partir de un

balance de los principales cationes en disolución

100__TSD

NaSodiodePorciento

donde

KMgCaNaTSD 22 [meq/l]

y Na+, Ca

2+, Mg

2+ y K

+ representan las cantidades de estos

cationes, expresadas en meq/l.

El procedimiento consiste en mezclar el suelo con agua

destilada hasta alcanzar una consistencia cercana a su límite

líquido. Luego se extrae una muestra del agua de los poros

(extracto de saturación) por medio de vacío, utilizándose un

filtro para separar las fases sólida y líquida (Figura 6). Este

extracto de saturación es ensayado y se determinan las

cantidades de los cationes antes mencionados.

Figura 6: Esquema del aparato utilizado para la obtención del extracto de

saturación de la muestra de suelo [2].

La Figura 7 muestra gráficamente el grado de dispersividad

CCIA’2008 6

de los suelos, en función del “Porciento de Sodio” y el Total

de Sales Disueltas (TSD), identificándose los mismos

mediante tres zonas

Figura 7: Grado de dispersividad de los suelos, en función del “Porciento

de sodio” y el Total de Sales Disueltas (TSD) en el agua intersticial.

5. Correlación entre los resultados del Ensayo de Pinhole y

el Porciento de Sodio.

El primer trabajo de correlación de estos ensayos fue

realizado por Sherard et al., a principios de la década de los

70` del siglo pasado [35]. Para ello utilizó 195 muestras de

diferentes tipos de suelos que cubrían las más diversas

variedades y orígenes. De estas muestras, 80 correspondían a

suelos dispersivos, muchos de los cuales habían sido tomados

de presas del territorio de los Estados Unidos y otras partes del

mundo, que habían sido dañadas, en mayor o menor medida,

por el fenómeno de sifonamiento.

En la Figura 8 pueden apreciarse los resultados obtenidos

por Sherard mediante el Ensayo de Pinhole, al superponerlos

en el gráfico de Porciento de Sodio vs. TSD.

Figura 8: Correlación entre los ensayos de Pinhole y Porciento de Sodio vs

TSD [32].

De los resultados mostrados en la Figura 8 se concluye la

existencia de una buena correlación entre el Ensayo de Pinhole

y en ensayo químico de Porciento de Sodio. Es por ello que en

la actualidad ambos métodos de identificación de suelos

dispersivos son utilizados internacionalmente.

Armas Novoa, en su artículo de 1980 [2], muestra en

gráficos similares, las correlaciones realizadas en el análisis de

21 casos históricos de presas falladas por sifonamiento en el

mundo, así como la obtenida por él mismo en su estudio de los

suelos correspondientes a varios lugares de emplazamiento de

presas cubanas.

V. ESTABILIZACIÓN DE LOS SUELOS DISPERSIVOS

La existencia de numerosas obras hidrotécnicas

(fundamentalmente presas de tierra) construidas con suelos

dispersivos, y la necesidad de continuar utilizando los mismos

en este tipo de construcciones, abren un nuevo campo de

estudio de la Geotecnia: la estabilización de suelos

dispersivos. En este caso, la estabilización está dirigida a

eliminar una propiedad perjudicial como lo es la dispersividad

de las arcillas.

La naturaleza electroquímica del fenómeno conduce a

buscar métodos y/o aditivos que trabajen de esta forma, de ahí

que el proceso que se ajusta al mejoramiento de los suelos

dispersivos es la “estabilización química”. Como ya se ha

explicado, generalmente la dispersividad está dada por la

presencia de cationes de Sodio (Na+) adheridos a las partículas

de arcilla. Sustituir estos cationes inestables por otros de

mayor estabilidad, como son los cationes de Calcio (Ca2+

),

Magnesio (Mg2+

) o Aluminio (Al3+

) conferirá estabilidad al

suelo, eliminando el problema de dispersión.

Con base en este razonamiento, se ha estudiado la

estabilización de suelos dispersivos mediante aditivos que

propicien el intercambio catiónico. A continuación se recogen

experiencias sobre la utilización de algunos de estos aditivos.

1. Sulfato de Aluminio Hidratado.

El Sulfato de Aluminio Hidratado Al2(SO4)3∙18H2O se cita

en la literatura como de uso común en la estabilización de

suelos dispersivos. Al respecto, es relevante y muy completo el

estudio realizado por Ouhadi y Goodarzi [29]. Estos

investigadores realizaron un aporte singular, pues en sus

estudios parten de un material no dispersivo: la arcilla

bentonita. Mediante ensayos químicos y utilizando Sulfato de

Sodio NaSO4 como agente dispersante, convierten la bentonita

en dispersiva, lo cual corroboran mediante ensayos de doble

hidrómetro, y un análisis químico detallado que demostró el

enriquecimiento de la bentonita con cationes de Sodio,

suspendidos en el agua intersticial, y adheridos eléctricamente

a las partículas de arcilla.

El suelo dispersivo así obtenido es sometido luego a un

nuevo proceso de intercambio catiónico mediante la adición de

Sulfato de Aluminio Hidratado, induciéndose la sustitución de

los cationes de Sodio por cationes de Aluminio. Durante este

proceso se controla rigurosamente el comportamiento de las

variables de temperatura y pH, entre otras.

El estudio arrojó que, en general, la adición de un 1,5% de

Sulfato de Aluminio Hidratado estabilizó satisfactoriamente

muestras de suelo dispersivo.

Como efecto secundario se obtiene que el pH de la muestra

dispersiva se reduce entre 1 y 3 unidades con el proceso de

estabilización (variando entre 10 y 7). Igualmente, se reduce

en más de un 50% el Límite Líquido, y con ello el Índice

Plástico del suelo estabilizado. La permeabilidad también

CCIA’2008 7

disminuye, en razón directa al incremento de aditivo.

El estudio de Ouhadi y Goodarzi concluye en la utilidad del

Sulfato de Aluminio Hidratado como estabilizador de los

suelos dispersivos. Sin embargo, es oportuno valorar de muy

positivo el haberse logrado el proceso químico de intercambio

catiónico en ambos sentidos (inicialmente creando el material

dispersivo, y luego estabilizándolo). Es importante también

analizar la posibilidad de obtener el Sulfato de Aluminio

Hidratado en cantidades industriales para ser aplicado en

obras, y las consecuencias que puedan acarrear los efectos

secundarios de este tipo de estabilización.

2. Cemento Pórtland.

Al igual que en muchos otros casos, el cemento Pórtland

también ha sido utilizado para estabilizar los suelos

dispersivos. Al respecto, puede citarse el estudio realizado por

Indraratna et al., y publicado online en el 2008 [20].

De dicho estudio se infiere que la estabilización de suelos

dispersivos con cemento Pórtland está estrechamente

relacionada con el proceso de compactación de la mezcla

suelo-aditivo, obteniéndose resultados satisfactorios cuando se

alcanzan grados de compactación superiores al 95% del peso

específico seco máximo alcanzado en el laboratorio, aunque

no menciona a qué energía de compactación se refiere. Esta

relación hace pensar en que el proceso de estabilización no

está dado por un fenómeno de intercambio catiónico, sino por

el efecto aglomerante del aditivo.

Una objeción importante a este método de estabilización, es

la necesidad de mezclar el suelo con el aditivo antes o durante

el proceso de colocación en obra. Por tal razón, resulta

inaplicable a grandes masas de suelo colocadas y

compactadas, como es el caso de la cortina de una presa de

tierra ya construida y luego diagnosticada con problemas de

arcillas dispersivas. También es importante hacer un análisis

económico en relación al costo que puede tener la

estabilización de materiales dispersivos locales con cemento

Pórtland, en comparación con la transportación de material no

dispersivo desde zonas más alejadas de la obra.

3. Cal.

En el caso del tratamiento de los suelos con cal se ha

realizado utilizando este aditivo en tres estados diferentes, a

saber: cal viva u Óxido de Calcio (CaO), cal hidratada o

Hidróxido de Calcio (Ca(OH)2), y lechada de cal (suspensión

de cal hidratada en agua).

La cal viva se utiliza en aquellos casos en que es necesario

“secar” el suelo, es decir, disminuir su humedad, con fines de

compactación u otro uso. El proceso de hidratación de la cal

viva genera gran cantidad de calor, que contribuye a secar el

suelo. Sin embargo, si este es atravesado por una red de flujo,

el efecto de secado se pierde, y la cal viva se convertirá en

hidrato y, más tarde, en una suspensión.

La cal hidratada, o Hidróxido de Calcio, es prácticamente

insoluble, de ahí que al ser mezclado con agua no forme una

disolución, sino una suspensión (lechada de cal) en la cual

existen muy pocos cationes libres de Calcio, necesarios en el

proceso de intercambio catiónico que debe tener lugar para

estabilizar los suelos dispersivos. Es presumible un débil

resultado en este proceso de estabilización. Sin embargo,

ocurre un proceso de migración de iones de Calcio desde las

partículas de cal hidratada hacia las partículas de arcilla,

desplazando allí los iones menos estables. Este proceso se

conoce como “floculación y aglomeración”, tiene lugar en el

transcurso de varias horas, como resultado el suelo se hace

granular y friable, y como efecto secundario ocurre una

reducción drástica del Índice Plástico [24].

Este fenómeno ha sido aprovechado en el mejoramiento de

los suelos dispersivos que se encuentran en cortinas de presas

ya construidas, sin necesidad de removerlas. Experiencia de

ello se tiene en Sudáfrica [4], [5], [6], donde algunas

micropresas han sido reparadas mediante la estabilización de

sus terraplenes, que contenían material dispersivo, por medio

de la cal. El proceso fue bien simple: se vertió suficiente

Hidróxido de Calcio en el volumen de agua embalsada de las

micropresas para crear una suspensión, que luego fue

arrastrada por la red de flujo que atraviesa el terraplén. De esta

forma, y en el lapso de tiempo en que el agua atraviesa la masa

de suelo, se produce el intercambio catiónico y por

consiguiente la estabilización de la arcilla dispersiva.

Lógicamente, este método es aplicable a presas pequeñas, y

deja pendiente una interrogante acerca del método de

aplicación en aquellos casos en que resulta imposible, por

cuestiones de volumen, crear una suspensión en el agua

embalsada.

4. Otros aditivos.

Los tres aditivos antes mencionados son los más utilizados

hasta el momento en el tratamiento de los suelos dispersivos.

Sin embargo, ante las limitaciones y dificultades de aplicación

que presentan, se continúa haciendo estudios con nuevas

sustancias y métodos.

En el caso de sustancias simples se cuenta el uso del yeso

(Sulfato de Calcio Hidratado), el cual, por su poca solubilidad,

requiere de una mezcla con el material a estabilizar, en una

etapa previa o durante su colocación en obra. También se

estudia la aplicación de puzolanas y cenizas (fly ash) [21].

En cuanto al empleo de polímeros complejos, puede

mencionarse el estudio de la estabilización con lignosulfonato

[20] y con poliacrilamidas [9].

VI. CONCLUSIONES

El estudio de los suelos dispersivos por más de cuarenta

años ha permitido reunir sobre los mismos un importante

cúmulo de conocimientos. Se conoce con claridad el fenómeno

químico que en ellos ocurre y los problemas que ocasiona su

presencia en obras hidrotécnicas. Para evitar estos problemas,

se desarrollaron métodos y ensayos efectivos para su

identificación, los que hoy se encuentran normados y son de

uso muy difundido en el mundo entero. Los más comunes son:

el Ensayo de Crumb, el Ensayo de Doble Hidrómetro, el

Ensayo de Pinhole, y la determinación del Porciento de Sodio

respecto al Total de Sales Disueltas (TSD) en el agua

intersticial.

La realización simultánea de los dos últimos constituye el

procedimiento seguido internacionalmente para la

CCIA’2008 8

identificación de dispersividad de las arcillas.

Más allá de la identificación e interpretación química del

fenómeno, se trabaja hoy en la solución del problema mediante

procesos de estabilización de suelos con aditivos. Los más

estudiados son el cemento Portland, la cal en diferentes

estados (viva, hidratada o en suspensión) y el Sulfato de

Aluminio. Otros aditivos poliméricos y naturales, como son el

yeso y la zeolita, deben seguir siendo estudiados para conocer

su efectividad y posible implementación.

REFERENCES

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