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Estabilización físico-química de suelos arcillososcon aditivos elaborados con precursores nanométricos(Parte I: Evaluación mecánica)Carlos Chávez Negrete, José Carlos Rubio Avalos, Jorge Alarcón Ibarra yEleazar Arreygue RochaUniversidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán,México.Erick O. Cervantes GutiérrezAlumno de la Maestría en Infraestructura del Transporte en la Rama de LasVías TerrestresABSTRACTIndex and mechanical tests were made in order to characterize high plasticity clay from veterinary faculty into UMSNH.This clay is known by its high expansive potential and has caused problems to the buildings. Four stabilization additiveswere made with nano-metric precursors and its effectiveness was probed with the clay before mentioned. Theseadditives generate a cation interchange forming nano-metric gels using the clay composition. A campaign of index andmechanical test were carried out in order to verify how the additives work in compacted clay compacted to its maximumdry specific weigh, obtained in a Proctor standard Test. The mechanical tests carried out were: unconfinedcompression, triaxial compression, consolidation and expansion pressure tests. The parameters discussed were:consistency limits, maximum dry specific weighs, the shear resistance, expansion pressure and the permeability of themodified soils. The results show that a little gain in resistance, although the clay presented a more frictional behavior.The pressure of expansion was eliminated by most of the additives. The compressibility was increased, but the preconsolidationpressure was increased. In all cases were presented an increase in the permeability due to the lowcompaction of the clay. The best additive was the number one.RESUMENSe realizaron pruebas índice y mecánicas para caracterizar una arcilla de alta plasticidad localizada en lasinstalaciones de la Facultad de Veterinaria de la UMSNH. Esta arcilla es conocida por su potencial expansivo y hacausado muchos problemas en las estructuras de esta facultad. Se elaboraron cuatro estabilizantes de suelos a basede precursores Nano-métricos y se decidió probar su efectividad modificando la arcilla ya mencionada. Estosestabilizantes generan un intercambio iónico entre la arcilla y el aditivo estimulando la formación de gelesnanoestructurados usando como materia prima la composición química de la arcilla. Para ello se realizó una campañade ensayos índice y mecánicos con el fin de verificar como los estabilizantes modificaban las propiedades de la arcillacompactados a un peso específico máximo obtenido con la prueba AASHTO estándar. Dentro de las pruebasmecánicas se realizaron ensayos de compresión simple, triaxiales, de consolidación y de presión de expansión. Losparámetros analizados fueron: límites de consistencia, pesos específicos máximos, la resistencia, la presión deexpansión y la permeabilidad. Los resultados muestran que hubo poca ganancia en resistencia, aunque se hizo másfriccionante el material. En cuanto a los resultados de presión de expansión se observó que tres de los estabilizantescontrarrestaron la presión de expansión que se presentó, que fue de 25 ton/m 2 . En cuanto al índice de compresibilidad,Cc, no se tuvo ninguna mejoría, por el contrario se aumentaron considerablemente, pero la carga de pre-consolidaciónse incrementó en algunos casos hasta cinco veces. En todos los casos se presentó un aumento de la permeabilidad, alparecer los estabilizantes dificultan la compactación provocando que los pesos específicos secos máximos disminuyan.El estabilizante que tuvo mejor resultado fue el estabilizante 1, que redujo el índice plástico a cero, a pesar del bajopeso específico del suelo que se generó después de la compactación.1 INTRODUCCIÓN1.1 Estabilidad de suelosLa estabilización de suelos es en la actualidad una de lasgrandes líneas de la geotecnia, en donde se debe llevara cabo más investigación. El día de hoy existen muchosproductos que se ofrecen en el mercado, cada uno conventajas y desventajas, sin embargo, se debe tener unprograma experimental que sustente la aplicación delestabilizante. Es decir, los productos no son mágicos y teresuelven los problemas en todos los suelos, por lo quese recomienda ampliamente la implementación de unprograma experimental que verifique la modificación delas propiedades mecánicas del suelo en las condicionesde trabajo.Por otro lado, surgen nuevos productos propuestoscomo estabilizantes de suelos, en los que se pretendeaplicar algún avance tecnológico de otra área a laestabilización de suelos. Es el caso de la aplicación de lananotecnología y los nano- materiales cuyo objetivo esrealizar algo grande para la industria de la construcción

con materiales realmente muy pequeños, Ozin (2009)(del orden de billonésimas partes de metro) lo quepermite cambiar las propiedades y el comportamiento delos materiales y su masa material, ingresando a un nuevonivel de desarrollo, partiendo del nuevo principio desíntesis y análisis de materiales “Bottom-up approach” ónano-química en lugar del tradicional “Top-down”(análisis externo), utilizando la nano-química, se buscadiseñar nano materiales que permitan utilizar a lasarcillas naturales presentes en los suelos como parte delsistema estabilizante al incorporar iones metálicoscapaces de formar redes tridimensionales dealuminosilicatos insolubles e inertes en presencia deagua y que generen una acción cementante en lasmasas arcillosas. En todo caso, hay que probar laefectividad de los aditivos desarrollados en esta fasepreliminar, para lograr un desarrollo eficiente delproducto final en diferentes condiciones y composicionesquímicas de suelos.Dentro de las principales propiedades mecánicas queinteresaría cambiar son: estabilidad volumétrica,compresibilidad, resistencia mecánica, permeabilidad ydurabilidad (Fernández 1982). Las de mayor utilidad, lastres primeras, y la durabilidad de estas podrían ser lasmás significativas. Aunque la mayoría de las veces sepiensa en estabilizar suelos expansivos.En este artículo se presentan los resultadosexperimentales de la estabilización físico-química, de unaarcilla de la Posta Veterinaria, en Tarímbaro Mich. Estaarcilla ha generado problemas en la cimentación de losedificios que en esta zona se encuentran. Las pruebasrealizadas son el inicio del programa experimental que seestá llevando a cabo en la Facultad de Ingeniería Civil dela UMSNH, con el desarrollo de estos nuevosestabilizantes nanométricos.1.2 Nano TecnologíaLa nanotecnología es la tecnología de la billonésimaparte de metro ó del nanómetro. A estos niveles esposible visualizar la estructura atómica de la materia, susátomos, redes atómicas, moléculas, etc. Elcomportamiento de los materiales que actualmenteconocemos a estos niveles se modifica y lo conocido almomento, no aplica. En todas las industrias (médica,electrónica, química, física, etc.) se están generandocambios e innovaciones de manera sistemática con eluso y explotación de esta nueva ciencia. Por su elevadocosto y la tecnología involucrada en los procesos desíntesis y análisis de materiales la industria de laconstrucción se ha visto marginada y sobre todo en lospaíses en vías de desarrollo. Sin embargo, si se aplica lanano química correcta (bottom-up approach) es posiblegenerar nuevos desarrollos para la industria de laconstrucción, utilizando herramientas tecnológicas comoHRTEM (Microscopia electrónica de transmisión de altaresolución) SEM (microscopia electrónica de barrido) etc.que permiten correlacionar el comportamiento macroestructural(físico y mecánico) con su nano y microestructura y de esta forma obtener resultados másintegrales para la Ingeniería civil.2 DESCRIPCIÓN DE LOS ADITIVOS2.1 Principio de trabajo de los aditivosLos aditivos nanométricos que se están desarrollando enesta fase inicial ó fase cero, se elaboran utilizando lanano química y el principio “Bottom-Up approach”, el cualbusca utilizar a las arcillas de los suelos como materiaprima y una solución de partículas nanométricas loscuales bajo un proceso de policondensación formangeles nanométricos insolubles bajo las siguientesreacciones químicas “verdes” y generales:M n (-(SiO 2)z-AlO 2)n, wH 2O;En donde z es 1, 2, ó 3, y M son cationes tales comoBa 2 +, NH 4+ , H 3 O + Cs + K + , Na + , Ca 2+ y estos deben deestar presentes en las cavidades de la red parabalancear las cargas negativas del Al 3+ en estado decoordinación de cuatro y “n” es el grado depolicondensación.Dichas reacciones químicas pueden contener más deun catión metálico en solución y la presencia de AlO 2 ySiO 4 se suministra a partir de la nanoestructura de lasarcillas de los suelos. Como resultado se forma un gelnano cristalino tridimensional, en forma de anillos y/ocadenas que generan un efecto adhesivo ó cementanteen la masa del suelo expansivo obteniendo un sistemainerte y ecológico, como se aprecia en la Figura 1. Éstamicro fotografía obtenida por microscopía electrónica debarrido muestra algunos micro cristales ó “clusters degel” obtenidos por la reacción, adicionalmente seobserva el gel formado saliendo desde la arcillas hacia elmicro cristal generando un efecto de envolvente oadhesivo en la masa del suelo.Micro cristales de gel nano métrico.Gel obtenido de laarcilla (Estabilizante).Figura 1. Análisis microestructural por SEM del sueloestabilizado utilizando nano -estabilizantes.2.2 Dosificación de los aditivosUna de las principales pruebas que se realizó dentro deesta investigación, es la medición del pH en la mezclasuelo-estabilizante. Para que estos resultados no

Índice de Plasticidadpresentaran alteraciones debido a que el agua de usocomún contiene un pH menor de 7, se decidió emplearagua desionizada (destilada) ya que esta siempremantiene un pH de 7, el cual es neutro. De esta maneralas lecturas del pHmetro utilizado no se vieron alteradas.Siguiendo el procedimiento de la norma ASTM D6276se realizaron las pruebas para determinar la proporcióndel suelo – estabilizante.Estas pruebas se hicieron con cada uno de losestabilizantes para así determinar la proporción ideal decada uno, a continuación se presenta la tabla donde semuestran las lecturas de pH de la mezcla estabilizante –suelo – agua para cada uno de los porcentajesmencionados en la norma y son señaladas las lecturasdel pH usadas en las pruebas.Tabla 1. PH obtenido con distintos porcentajes deestabilizantes para la dosificación de acuerdo a la normaASTM D6276.% DEESTABILIZANTEPH conEstabilizante 1PH conEstabilizante 2PH conEstabilizante 3PH conEstabilizante 42 3 4 5 611.4 12 12 12.3 12.411.8 12.4 12.6 12.8 12.810.9 12.4 12.8 12.9 13.29.1 9.9 10.6 11 11.7De los resultados obtenidos, se determinaron losporcentajes que dieron el pH de 12.4 o el más cercano.De esta manera, de la Tabla 1 se definió la proporciónde estabilizante que se tomará para realizar las mezclas.Con el estabilizante 1 se aplicó un 6% del peso totalde la muestra de suelo. Con el estabilizante 2 y 3 seaplicó un 3%.Para el estabilizante 4 se observó que ninguno de losporcentajes llega al 12.4 de pH, por lo que se tomó elporcentaje de pH más cercano a él, siendo este del 6%con un pH de 11.7. En la Tabla 2 se presentan losresultados finales.Tabla 2. Porcentaje de estabilizante utilizado para lasmuestraspHEstabilizante 1 12.4 6%Estabilizante 2 12.4 3%Estabilizante 3 12.4 3%Estabilizante 4 11.7 6%3 PROGRAMA EXPERIMENTAL3.1 Descripción del material utilizado.% delestabilizanteUMSNH, ubicada en el municipio de TarímbaroMichoacán.En la Tabla siguiente, se muestra la información de laexploración, además de algunas características delmaterial en estado natural.Tabla 3. Características del material utilizado.UBICACIÓN:Unidad Posta VeterinariaESTRATIGRAFÍA:10 cm. Capa vegetal(despalme)10 cm - 1.80 m. Estrato dearcilla negraMINERAL INFERIDO Montmorillonita% Contenido de humedad 27.55naturalLímite Líquido (%) 89.2Límite Plástico (%) 32.9CLASIFICACIÓNCH (Arcilla de alta plasticidad)3.2 Pruebas índiceSe le adicionó el porcentaje de estabilizante mencionadoal suelo y se procedió a realizar las pruebas de límitelíquido, límite plástico (norma SCT M.MMP-1-07/07) y laprueba de compactación AASHTO estándar (norma SCTM-MMP-1-09/06). Los resultados de los límites semuestran en la carta de plasticidad de la Figura 2. Elmaterial sin estabilizante es el que tiene una plasticidadmás alta. En general se observa que todos losestabilizantes bajaron los límites de consistencia, enparticular se observa que el estabilizante 3 es el quemenos efecto tuvo y con el estabilizante 1 se obtuvo unlímite plástico inapreciable, por lo que se colocó con uníndice de plasticidad nulo. Con el estabilizante 2 se logróbajar los límites hasta obtener una clasificación de ML yel estabilizante 4 sólo hasta MH. Debido a estos cambiospresentados en los límites de consistencia, se infiere quecada estabilizante actuará de manera distinta, sobre laspropiedades mecánicas e hidráulicas del suelo.70605040302010Carta de PlasticidadCL ó MLEstabilizante 2ML ó OLEstabilizante 3Estabilizante 4SinEstabilizante0Estabilizante 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Límite LíquidoMH ó OHFigura 2. Resultados de la modificación de laclasificación del suelo en base a los limites obtenidos.CHEl material seleccionado para las pruebas fue extraído delas instalaciones de la Unidad Posta Veterinaria de la

Esfuerzo (kg/cm²)Esfuerzo (kg/cm²)Otra prueba básica fue la de compactación AASHTOestándar, se realizó en base a la norma SCT M-MMP-1-09/06. El estabilizante modificó el comportamiento delsuelo (ver Fig. 3), en general disminuyó el pesoespecifico seco máximo del material y aumentó elcontenido de humedad. Es decir el estabilizante bajó laefectividad de la compactación y no se pudieron alcanzarpesos específicos tan altos como los del material original.Parte del material cementó formando un gel y no permitióque se compactara con efectividad.3.503.002.502.001.50Estabilizante 1 Estabilizante 2Estabilizante 3 Estabilizante 4Sin estabilizante1.000.500.000.00 0.01 0.02 0.03 0.04Deformacion UnitariaFigura 4. Resultados de Pruebas de compresión simple,en probetas de con aditivo.Figura 3. Resultados de pruebas de compactaciónAASHTO realizadas con distintos estabilizantes.3.3 Pruebas Mecánicas y su análisis.Todas las pruebas mecánicas se realizaron enespecímenes compactados al 100% de su pesovolumétrico seco suelto y con las humedades óptimasobtenidas en la pruebas AASHTO estándar antesmencionadas.Las pruebas mecánicas básicas que se realizaronfueron: resistencia a la compresión simple, pruebas decompresión triaxial, pruebas de presión de expansión ypruebas de consolidación unidimensional. De laspruebas anteriores se determinó la forma en que semodifican las propiedades de resistencia, expansión,compresibilidad y permeabilidad, para determinar elefecto del estabilizante.Los primeros resultados fueron los de la compresiónsimple (ver Fig. 4). La línea continua es la del suelo sinestabilizante. Claramente se observa que existen tresestabilizantes que no tienen mejora en la resistencia a lacompresión simple (estabilizante 2, 3 y 4), se puedeesperar que si se mejora el grado de compactaciónpodría mejorar la resistencia del suelo. El estabilizante 1le da más cohesión y rigidez al material aunque tienefalla frágil, a pesar de que se tiene el menor pesoespecífico seco de todas las muestras.Los siguientes resultados corresponden a las pruebastriaxiales no-consolidadas, no-drenadas (ver Figs. 5-7).Prácticamente se sigue manteniendo el mismo patrón decomportamiento, las muestras modificadas con elestabilizante 1, siguen presentando mayor rigidez ymayor resistencia para las distintas pruebas triaxiales.Por otro lado, en la Tabla 4, se observa unasignificativa variación en los parámetros de la cohesión yfricción obtenidos de los datos antes mencionados. Elestabilizante que tiene mejor efecto es el 3, ya quedisminuye la cohesión casi a cero y el ángulo de fricciónse incrementa más del doble, es decir, tiene elcomportamiento similar a un material granular. Aunquelas resistencias no se incrementen mucho, debido a labaja densidad. En general todos los aditivos mejoran losparámetros de resistencia al corte, a excepción del 2.5.004.504.003.503.002.502.001.501.000.50Estabilizante 1 Estabilizante 2Estabilizante 3 Estabilizante 4Sin Estabilizante0.000.00 0.02 0.04 0.06 0.08Deformacion UnitariaFigura 5. Gráfica Esfuerzo – Deformación. PruebaTriaxial 3 = 0.3 kg/cm2.

Esfuerzo (kg/cm²)Esfuerzo (kg/cm²)6.005.004.003.00Estabilizante 1 Estabilizante 2Estabilizante 3 Estabilizante 4Sin EstabilizanteLos resultados de la pruebas de presión de expansiónfueron los más satisfactorios (ver Fig. 8), a excepción delestabilizante 4, todos los estabilizantes disminuyeron acero las presión de expansión en la arcilla. Ladisminución de la presión de expansión del estabilizante4 fue alrededor de 25%. Parte del efecto de ladisminución de la presión de expansión, es debida albajo peso específico que producen los estabilizantesdespués de aplicar la energía Proctor estándar. Por otrolado el efecto del estabilizante envolviendo los mineralesde arcilla y evitando que el agua fuera absorbida yretenida.2.001.000.000.00 0.02 0.04 0.06 0.08Deformacion UnitariaFigura 6. Gráfica Esfuerzo – Deformación. PruebaTriaxial 3 = 0.6 Kg/cm27.00Estabilizante 1 Estabilizante 2Estabilizante 3 Estabilizante 4Sin estabilizante6.005.004.00Figura 8. Presión de Expansión.3.002.001.000.000.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10Deformacion UnitariaFigura 7. Gráfica Esfuerzo – Deformación. PruebaTriaxial 3 = 0.9 Kg/cm2Tabla 4. Resultado de pruebas triaxialesw(%) c (kg/cm 2 ) (⁰)Sin Estabilizante 23.15 1.39 21.7Estabilizante 1 31.6 0.84 37.1Estabilizante 2 28.21 0.70 20.9Estabilizante 3 29.18 0.02 47.4Estabilizante 4 32.85 0.02 35.8Los resultados de las pruebas de consolidaciónarrojaron tres parámetros importantes. Las carga de preconsolidación,el índice de compresibilidad y lapermeabilidad promedio. En la Figura 9, se presentan losdos primeros parámetros. Para la misma energía decompactación se observaron distintas cargas de preconsolidación,la más baja corresponde al material sinestabilizante. Se incrementa para el estabilizante 2, 3, 1 y4, de menor a mayor respectivamente. El efecto anteriorno corresponde con los distintos pesos volumétricosalcanzados después de la compactación y la diferenciaes debida exclusivamente al efecto del estabilizante.El índice de compresibilidad en todos los casos esmayor que el de la muestra sin estabilizante (de menor amayor tenemos el estabilizante 2, 3, 4 y 1, correspondecon orden a las cargas de pre-consolidaciónanteriormente mencionado). Es decir, una vezsobrepasada la carga de pre-consolidación lacompresibilidad del suelo modificado aumenta debido asu bajo peso específico.Las permeabilidades medias obtenidas para el mismointervalo de carga de la prueba de consolidación demayor a menor son: la del estabilizante 1, 3, 4, 2 y sinestabilizante. La mayor corresponde a la densidad menorcomo se esperaba.

Figura 9. Índice de Compresibilidad e Esfuerzo de Preconsolidaciónmanera más notoria los límites de consistencia y lapresión de expansión se disminuyó totalmente.El estabilizante 3 fue otro de los que funcionóbastante bien, aumentando el ángulo de fricción,disminuyendo la cohesión y la presión de expansión acero.En lo que respecta a la carga de pre-consolidación engeneral aumentó, con todos los aditivos yexcepcionalmente con el estabilizante 4, que le podemosatribuir que no disminuyó la presión de expansión.La permeabilidad y la compesibilidad aumentarondebido a los pesos volumétricos tan bajos que seobtuvieron. Es deseable que se pudieran realizar unamejor compactación de estos suelos para poder mejorarestas propiedades.Finalmente se pone de manifiesto en este estudioque cada aditivo actúa de manera diferente en un mismosuelo. Por tanto, tendremos que realizar siempre pruebaspara ver el efecto de cada estabilizante en el suelo deinterés, y ver si se mejora la propiedad que estamosbuscando mejorar.Hablando de los demás estabilizantes, se puedellegar a la conclusión de que abren un gran campo deestudio para continuar con esas investigaciones ya quese puede seguir modificando la composición química deestos para tener mejores resultados y seguirperfeccionando los estabilizantes para mejorar sucomportamiento.REFERENCIASFigura 10. Permeabilidades calculadas a partir de laprueba de consolidación.4 CONCLUSIONESLos nano estabilizantes forman un gel nanométricoobtenido a partir de las arcillas y los aditivos. Este geltiene una función adhesiva (cementante) dentro de lamatriz del suelo, la cual es insoluble, inerte y ecológica.La efectividad de los nano-estabilizantes deberá sermejorada principalmente por la heterogeneidad químicade los suelos, para incrementar su eficiencia ydistribución en la masa del suelo. Esto se realizará en lasfases 2 y 3 del proyecto de investigación.Durante todas las pruebas realizadas se observó quela mezcla suelo-estabilizante 1, mejoró la resistenciamecánica, disminuyó la cohesión y aumentó el ángulo defricción a pesar de que el contenido de agua era mayor.Por otro lado este estabilizante fue el que disminuyó deASTM Standard D6276, 1999a, "Standard Test Methodfor Using pH to Estimate the Soil-Lime ProportionRequirement for Soil Stabilization1, ASTMInternational, West Conshohocken, PA.Fernández, Carlos (1982). Mejoramiento y Estabilizaciónde suelos. Ed. Limusa. México D.F.Ozin G. A. (2009), Nanochemistry. A Chemical approachto nanomaterials. RSC Publishing. The Royal Societyof Chemistry. U.K.Norma SCT M.MMP-1-04/03, Contenido de Agua.Secretaría de Comunicaciones y Transportes.Normativa para la Infraestructura del Transporte.Métodos de Muestreo y Pruebas de Materiales.Suelos materiales y terracerias. México.Norma SCT M.MMP-1-07/07, Límites de Consistencia.Secretaría de Comunicaciones y Transportes.Normativa para la Infraestructura del Transporte.Métodos de Muestreo y Pruebas de Materiales.Suelos materiales y terracerías. México.Norma M.MMP-1-09/06, Compactación AASHTO.Secretaría de Comunicaciones y Transportes,Normativa para la Infraestructura del Transporte,Métodos de Muestreo y Pruebas de Materiales.Suelos materiales y terracerías. México.