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.
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 (Mg2+) [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+).
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,
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 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
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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 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 = A 100
B
Donde A y B son los porcientos de partículas de 0,005mm de diámetro obtenidas en el segundo y primer hidrómetro, respectivamente.
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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 A a la unidad, mayor capacidad
B 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 receptorprocesador de datos.
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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).
Na
SAR Ca
2
Mg 2 2
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:
donde Na+, Ca2+ y Mg2+ 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 Na Porciento _ de _ Sodio 100 TSD donde
TSD
Na
Ca 2
Mg 2
K
[meq/l] y Na , Ca , Mg 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. +
2+
2+
+
Na 100 CEC 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. ESP
Tabla 4: Grado de dispersividad en función del porcentaje de sodio intercambiable [23].
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 de los suelos, en función del “Porciento de Sodio” y el Total de Sales Disueltas (TSD), identificándose los mismos mediante tres zonas
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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
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
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 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
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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 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 [1]
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