Resumen (Abstract)

Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica, A.C.
XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos
e Ingeniería Geotécnica
Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo
Elaboración de materiales similares al sillar usando tepetate
Production of materials similar to the ashlar or sillar using tepetate
Teresa LOPEZ-LARA1, Juan Bosco HERNANDEZ-ZARAGOZA2, Jaime HORTA-RANGEL3, María de la Luz PEREZREA4 y Pedro Mateo ARMENDARIZ-MARQUEZ5
Profesora-Investigadora, División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro,
Qro; México, e-mail: [email protected]
2Profesor-Investigador, División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro,
Qro; México, e-mail: [email protected]
3 Profesor-Investigador, División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro,
Qro; México, e-mail: [email protected]
4
Profesora-Investigadora, División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de
Querétaro, Qro; México, e-mail: [email protected]
5Tesista, División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro, Qro; México, email: [email protected]
RESUMEN: El Tepetate es considerado un material inerte y ampliamente usado en la industria de la
construcción pero únicamente como material de relleno o como material para las terracerías en los
pavimentos, hasta el día de hoy no se ha definido formalmente su constitución y las propiedades que debería
tener como material inerte, en esta investigación se realiza la caracterización geotécnica al tepetate y se
estudian propuestas de mejoramiento a este material aplicando diferentes técnicas para el mejoramiento de
su densidad y con ello de su resistencia y permeabilidad para luego comparar dicho material con los sillares,
que son materiales de matriz semejante al tepetate usados como blocks de construcción.
ABSTRACT: The Tepetate is considered as a material inert and widely used in the industry of the
construction but only as material of landfill or material for the lands in the pavements, until today there
materials have not been defined formally its constitution and the properties that it should take as an inert
material, in this investigation the geotechnical characterization is realized to the tepetate and offers of
improvement are studied to this material applying different technologies for the improvement of its density,
resistance and permeability, then to compare the above mentioned material with the ashlars, which are
materials of counterfoil similar to the tepetate used like blocks of construction.
1 INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES
El término tepetate proviene del náhuatl tepetlatl
que a su vez es formado de las raíces tetl=Piedra y
petlatl=estera, que podría ser traducido como petate
(estera) de piedra (Arroyo-Abad, et al., 2011).
secundarios de cementantes de origen edafológico
(Zebrowski, 1992). Bajo condiciones naturales, los
tepetates tienen porosidad total y capacidad de
aireación bajas, infiltración lenta y la vegetación
herbácea que soportan es escasa (Báez-Pérez et
al., 2007). existe gran cantidad de estudio acerca de
sus propiedades agrológicas (importantes para la
agronomía), ya que desde tiempos prehispánicos, se
ha tratado de incorporarlos a la agricultura,
fragmentándolos y abonándolos, debido a su
dureza, muy bajo contenido de materia orgánica, de
nitrógeno (N) y fósforo (P), baja capacidad de
almacenamiento de agua, estructura masiva y
densidad aparente alta (Covaleda et al., 2009;
Navarro-Garza y Zebrowski 1992; Báez et al., 1997;
Navarro y Flores, 1997); sin embargo, hasta el día
de hoy no se ha definido formalmente su
constitución y las propiedades que debería tener
El Tepetate es considerado un material inerte y
ampliamente usado en la industria de la
construcción desde hace muchos años en
terraplenes para pavimentos o como material de
sustitución bajo las cimentaciones, el término
tepetate incluye muchos materiales que tienen en
común niveles de cementación que pueden ser
desde muy débiles hasta extremadamente fuertes, o
grados de compactación que varían de medios a
fuertes (Flores et al., 1991). Los tepetates son
materiales de origen volcánico con aportes
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
2
Elaboración de materiales similares al sillar usando tepetate
como material inerte, además de que no se tiene
mucha información acerca del tema, al menos no de
sus propiedades físicas y mecánicas (importantes en
la Industria de la Construcción). Sobre el Tepetate,
existe gran cantidad de estudio acerca de sus
propiedades agrológicas (importantes para la
agronomía), así como estudios de su taxonomía, de
su clasificación y origen geológico (Williams y OrtizSolorio, 1981).
En muchos estados del centro de México, los
materiales volcánicos endurecidos llamados tepetate
(capas endurecidas de toba) cubren una gran
proporción de la superficie terrestre, y por lo tanto de
la importancia económica y social (Báez-Pérez et al.,
2007)
Se estimó con base en la cartografía de INEGI,
que los tepetates, particularmente los duripanes,
cubrían un área de 30 700 km2 (Zebrowski, 1992),
por lo que es un material abundante en México.
Mampostería de roca es el más antiguo, duradero
y amplio método de construcción ideado por la
humanidad. Estructuras de piedra construidas sin
mortero se basan en la habilidad de los artesanos y
la fuerza de gravedad y resistencia a la fricción. La
roca ha sido un medio para la construcción con
éxito a través de los tiempos y en todo el mundo
debido a su exclusiva gama de beneficios, las
estructuras son notablemente duraderas y, si son
correctamente
diseñadas, se
pueden
hacer
resistentes a los terremotos, resistentes al fuego y al
agua. Además de que el albañil necesita un mínimo
de herramientas, el trabajo es fácil de reparar, el
material está disponible y es reciclable (Senthivel y
Lourenço, 2009).
Actualmente, cuando hablamos de construcción
se nos vienen a la cabeza miles de materiales que
podemos emplear para levantar un edificio o hacer
una casa; entre ellos encontramos el hierro, el acero
inoxidable, el sillar, el ladrillo, hormigón, diferentes
rocas, los bloques dentro de los cuales encontramos
el adobe, los elaborados de cemento o concreto, de
arcilla cocida, de barro comprimido, de barro
esmaltado, etc. La ciencia ha revelado que se verá
un gran cambio en a lo que a materiales se refiere y
trata de encontrar una mejor y mayor utilidad en
dichos materiales para que resulten ser más útiles
de lo que ya son. Es por eso, que el desarrollo de
los mismos es constante y cada década se pueden
encontrar en ellos más aplicaciones, muchas veces
impensadas (Abdullah, 1996).
El presente trabajo es parte de una línea de
investigación tendiente a la habilitación del tepetate,
donde se han probado diferentes métodos para
aumentar la densidad y con ello su resistencia y
permeabilidad. El objetivo de este estudio fue
evaluar por medio de la prueba Proctor diferentes
energías de compactación para obtener el mayor
peso específico seco del material (γdmax) y la menor
cantidad de humedad posible (w %) para comparar
con materiales de la construcción ya existentes
como el sillar, el cual es un material muy poroso por
lo que su permeabilidad es muy alta y el paso del
agua por su estructura es muy acelerado por lo que
lo vuelve un material frágil.
3 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
3.1 Muestreo de suelos
El trabajo fue realizado en la ciudad de Santiago
de Querétaro, (Querétaro, México). Ubicado con las
coordenadas geográficas de latitud igual a
20°35′15″N, longitud 100°23′34″W y con una altitud
media sobre el nivel del mar de 1820 m. Para el
presente proyecto se compararon 5 bancos de
tepetate existentes en la periferia del cono urbano
de
la
zona
norte,
suroeste
y sureste,
específicamente en los lugares conocidos como
Tlacote (T), Jurica (J), Conín (C), el Batán y el Jaral
(López-Lara et al., 2010).
El material estudiado se obtuvo de un muestreo
alterado, realizado en Mompani, Querétaro –México,
se eligió este sitio por ser considerado el banco que
cumple con estas características: menor contenido
de gravas, menor permeabilidad, mayor resistencia
a la compresión simple y plasticidad nula.
El Tepetate fue extraído de uno de los bancos de
la ciudad de Santiago de Querétaro, (Querétaro,
México). En un trabajo anterior (Rosales y López,
2011) ya se habían reportado las granulometrías de
varios Tepetates en diferentes bancos ubicados en
la periferia de esta ciudad, por lo que se procedió a
seleccionar el material con menor cantidad de finos
y mayor cantidad de arenas presentes., el banco
que cumplió con dichas expectativas se conoce
como “Mompani”, ubicado con las coordenadas
geográficas de latitud
20°39'6.90"N, longitud
100°28'29.61"O y con una altitud media sobre el
nivel del mar de 1905 m.
3.2 Procedimiento
Primero se realizaron diversas pruebas para su
caracterización geotécnica las cuales fueron
realizadas mediante la normativa correspondiente a
la American Society for Testing and Materials
(mencionada solamente como ASTM en adelante):
propiedades índice (ASTM D-4318, 2000),
clasificación
de
tamaños
de
partícula
o
granulometría
(ASTM
D-422-63,2007),
los
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3
LOPEZ-LARA T.
resultados de la prueba proctor standard (ASTM D698 - 07e1, 2007), su respectiva densidad de
sólidos (ASTM D-854,2010) y para la clasificación
del suelo (ASTM D-2487,2007).
Luego, se aplicaron técnicas para mejoramiento
de su densidad donde se realizaron diversas
pruebas requeridas para obtener la energía de
compactación óptima del material utilizando la
prueba Proctor con diferentes energías de
compactación.
En seguida, se obtuvo la permeabilidad y la
resistencia a compresión simple para cada energía
de compactación obtenida utilizando Carga Variable
y Compresión simple, respectivamente. Lo mismo
se hizo para los sillares.
Una vez calculada la compresión simple y la
permeabilidad para cada energía de compactación y
para los sillares se procede a realizar una
comparación de resultados para observar cual
material es el más resistente y menos permeable.
4 RESULTADOS
4.1 Propiedades de plasticidad, granulometría vía
seca y clasificación del suelo.
En la tabla 1 se muestran las diversas
propiedades de plasticidad (ASTM D-4318, 2000),
los resultados de la prueba proctor standard (ASTM
D698 - 07e1, 2007), su respectiva densidad de
sólidos (ASTM D-854,2002) y para la clasificación
del suelo (ASTM D-2487,2007).
La granulometría se realizó mediante el método
mecánico vía seca. Se determinó utilizando el
cribado
por
mallas,
el
cual
determina
cuantitativamente la distribución de partículas del
suelo más grandes a 75 micras (retenido en el tamiz
N° 200) (ASTM D 2487-93, 1993).
Tabla 1. Propiedades del suelo en estudio.
Propiedad
Índice Plástico
Limite plástico
Valor
1.07%
31.37%
Limite Liquido
Límite de
Contracción
Contracción
Lineal
Grava
32.44%
32.63%
0.0%
22.11%
Propiedad
Arena
Finos
Contenido óptimo
de humedad
Peso específico
seco máximo
Densidad de
sólidos
Valor
45.53%
32.36%
30.25%
1300
kg/m3
2.44 kg/m3
La granulometría del suelo fue: gravas (22.11%),
arenas (42.53%) y finos (32.36%). Existe una
diferencia en los porcentajes respecto al estudio
realizado anteriormente (López-Lara et al, 2010;
Rosales y López-Lara, 2011) y el material analizado.
Con lo cual se puede observar que dentro del mismo
Banco existen diferentes tipos de material Tepetate
variando sus contenidos de gravas, arenas y finos.
Los resultados que se muestran en la tabla 1 nos
indican que el suelo es una arena limosa (SM)
según el sistema unificado de clasificación de
suelos. (ASTM D 2487, 2007).
4.2 Energías de Compactación
La tabla 2 muestra los valores del peso específico
seco máximo (PVSM) y contenido de humedad
optimo obtenido de la prueba proctor modificada
(ASTM D1557, 2009), utilizando diferentes energías
de compactación para obtener la energía optima de
compactación para poder comparar con los sillares,
para todas las pruebas las gravas fueron retiradas.
Tabla 2. Aplicación de energías de compactación (Ee)
Energía Compactación
Proctor estándar con
energía de compactación
(Ee)= 5.99 kg cm/cm3
Proctor con energía de
compactación
(Ee)= 12.89 kg cm/cm3
Proctor modificada con
energía de compactación
(Ee)= 27 kg cm/cm3
Proctor con energía de
compactación
(Ee)= 30 kg cm/cm3
Proctor con energía de
compactación
(Ee)= 40 kg cm/cm3
PVSM
(Ton/m3)
Humedad
(%)
1.3
30.25
1.33
27.3
1.42
23
1.53
20.01
1.49
20.25
Los resultados que se muestran en la Tabla 2 nos
indican que la energía de compactación (Ee) optima
es la de 30 kg-cm/cm3 debido a que con esta
energía se obtuvo el mayor peso específico de
solidos (1.53 kg/cm 3) y el menor contenido de agua (
20.01 %).
4.3 Resistencia
compactado.
y
Permeabilidad
del
material
Para la determinación de la Resistencia a la
Compresión Simple se preparó material para cada
una de las energías de compactación (humedad
óptima y peso específico seco máximo). El material
preparado se compactó y se fabricaron un mínimo
de 3 probetas de suelo remoldeado por energía. La
tabla 3 muestra los valores obtenidos para la
permeabilidad por el método de carga variable
debido a que su contenido de finos es mayor al 10%
(ASTM D2434 – 68, 2006) y para la resistencia a la
compresión simple.
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4
Elaboración de materiales similares al sillar usando tepetate
Tabla 3. Permeabilidad (k) y Resistencia () de los
materiales compactados con diferente energía.
Energía Compactación
Proctor estándar con
energía de compactación
(Ee)= 5.99 kg cm/cm3
Proctor con energía de
compactación
(Ee)= 12.89 kg cm/cm3
Proctor modificada con
energía de compactación
(Ee)= 27 kg cm/cm3
Proctor con energía de
compactación
(Ee)= 30 kg cm/cm3
Proctor con energía de
compactación
(Ee)= 40 kg cm/cm3
k (cm/s)
(kg/cm2)
8.318 X 10-5
0.9861
6.87 X 10-5
1.245
4.42 X 10-5
2.335
3.08 X 10 -6
5.945
1.443 X 10-5
no se
pudo
Los resultados que se muestran en la Tabla 3 que
se grafican en la figura 1 nos corroboran que la
energía de compactación (Ee) de 30 kg-cm/cm3 es la
óptima debido a que con esta energía de
compactación se obtuvo la mayor resistencia a la
compresión simple (5.9 kg/cm2) y la menor
permeabilidad (3.08 X 10-6), la energía de 40 kgcm/cm3 provoca fallas entre las partículas de la
estructura por lo que no permite obtener probetas
del molde por lo que no se pudo obtener su
resistencia a la compresión simple.
Para la determinación de la Resistencia a la
Compresión Simple de las 3 muestras de sillar
(figura 2) se labraron 3 probetas para cada una de
las muestras (figura 3). La tabla 4 muestra los
valores obtenidos para la permeabilidad por el
método de carga variable (ASTM D2434 – 68, 2006)
y para la resistencia a la compresión simple.
Figura 2. Muestras de sillar.
Figura 3. Labrado de las probetas
Tabla 4. Permeabilidad (k) y Resistencia () de los sillares
Energía Compactación
Sillar 1
Sillar 2
Sillar 3
Figura 1. Evolución de la permeabilidad con el
incremento de la energía de compactación.
Conforme aumenta la energía de compactación
disminuye la permeabilidad, esto es debido a que
existe un mejor acomodo de las partículas y es más
lento el flujo del agua entre ellas, pero al exceder la
máxima energía admisible de compactación del
suelo, la muestra se fractura ocasionando grietas
entre su estructura provocando el flujo del agua y
aumentando su permeabilidad.
k (cm/s)
5.15 X 10-4
7.66 X 10 -4
1.18 X 10 -3
(kg/cm2)
6.8455
12.9449
11.0495
En los resultados de la Tabla 4 se muestra que el
sillar que presento más resistencia a la compresión
simple fue el sillar 2 con 12.9 kg/cm 2 y podemos
observar que los valores de la permeabilidad son
muy altos semejantes a los de una arena.
4.5 Comparación
de
la
Resistencia
Permeabilidad del material compactado y el sillar.
y
Los resultados que se muestran en la Tabla 5 nos
corroboran que de la energía de compactación
optima resulta una resistencia a la compresión
simple de 5.94 kg/cm 2, mientras que el sillar con la
menor resistencia es de 6.84 kg/cm 2 por lo que
podemos concluir que no se puede lograr la
4.4 Resistencia y Permeabilidad del sillar
resistencia del sillar con ninguna energía de
compactación, mientras que la permeabilidad es
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LOPEZ-LARA T.
superada más de 100 veces debido a que la
estructura de los sillares es muy porosa.
Tabla 5. Permeabilidad (k) y Resistencia () de los
materiales compactados y los sillares.
Energía Compactación
Proctor estándar con
energía de compactación
(Ee)= 5.99 kg cm/cm3
Proctor con energía de
compactación
(Ee)= 12.89 kg cm/cm3
Proctor modificada con
energía de compactación
(Ee)= 27 kg cm/cm3
Proctor con energía de
compactación
(Ee)= 30 kg cm/cm3
Proctor con energía de
compactación
(Ee)= 40 kg cm/cm3
Sillar 1
Sillar 2
Sillar 3
k (cm/s)
(kg/cm2)
8.318 X 10-5
0.9861
6.87 X 10-5
1.245
4.42 X 10-5
2.335
3.08 X 10 -6
5.945
1.443 X 10-5
no se
pudo
5.15 X 10-4
7.66 X 10 -4
1.18 X 10 -3
6.8455
12.9449
11.0495
5 CONCLUSIONES
El aumento de la energía de compactación para
mejorar la densidad no es indefinido, tiene un límite,
que en nuestro caso fue de 30 kgcm/cm 3, más
energía hace que se fracture la muestra y pierde sus
propiedades mecánicas.
La resistencia máxima del tepetate con su energía
de compactación óptima iguala aquella del sillar.
La permeabilidad del tepetate compactado es
superada más de 100 veces la del sillar, debido a
que la estructura de los sillares es muy porosa.
Por todo lo anterior se concluye que se logró un
material igual de resistente que el sillar pero mucho
más impermeable; respecto a la resistencia, es
necesario
agregar
algún
cementante
para
incrementarla, en lo que se encuentra encaminada
una nueva investigación.
REFERENCIAS
ASTM D1557 - 09 Standard Test Methods for
Laboratory Compaction Characteristics of Soil
Using Modified Effort (56,000 ft-lbf/ft3 (2,700 kNm/m3))
ASTM D698 - 07e1 Standard Test Methods for
Laboratory Compaction Characteristics of Soil
5
Using Standard Effort (12 400 ft-lbf/ft3 (600 kNm/m3)) proctor estandar
ASTM Standard D 2487, 2007. Standard
Classification of Soils for Engineering Purposes
(Unified Soils Classification System).ASTM
International,
West
Conshohocken,
PA.
www.astm.org
ASTM D 422-63 (2007); The Method for Particle-size
analysis Soils. ASTM International, West
Conshohocken, PA. www.astm.org
ASTM Standard D 4318, 2000. Standard Test
Method for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity
Index of Soils. ASTM International, West
Conshohocken, PA. www.astm.org
ASTM Standard D 854, 2010. Standard Test
Methods for Specific Gravity of Soil Solids by
Water Pycnometer. ASTM International, West
Conshohocken, PA. www.astm.org
Arroyo-Abad, U., Elizalde-González M. P., HidalgoMoreno C. M., Jürgen Mattusch, Rainer Wennrich.
2011. Retention of phenylarsenicals in soils
derived from volcanic materials, Journal of
Hazardous Materials, Volume 186, Issues 2–3, 28
February 2011, Pages 1328-1334
Báez, A., Ascencio, E., Prat, C., Márquez, A., 1997,
Análisis del comportamiento de cultivos en
tepetate t3 incorporado a la agricultura de
temporal, Texcoco, México, in Zebrowski, C.,
Quantin, P., Trujillo, G. (eds.), Suelos Volcánicos
Endurecidos, III Simposio Internacional, Quito,
December 1996: Quito, Ecuador, Unión Europea
(UE), Institut Français de Recherche Scientifique
pour
le
développement
en
Coopération
(ORSTOM), Pontificia Universidad Católica del
Ecuador (PUCE), Universidad Central del Ecuador
(UCE), 296-310.
Báez-Pérez, A., Etchevers-Barra, J.D., Prat, C., and
Hidalgo-Moreno
C.,
2007,
“Formation
of
aggregates
and
carbon
sequestration
in
ameliorated tepetates in the Río Texcoco basin,
Mexico”.
Revista
Mexicana
de
Ciencias
Geológicas, v. 24, núm. 3, 2007, p. 487-497
Covaleda S, Pajares S, Gallardo JF, Padilla J, Báez
A,
Etchevers JD, 2009. Effect of different
agricultural management systems on chemical
fertility in cultivated tepetates of
the
Mexican
transvolcanic belt. Agriculture, Ecosystems &
Environment, Volume 129, Issue 4, February
2009, Pages 422-427.
Flores, D., González, A., Alcalá, J.R., Gama, J.E.,
1991, Los tepetates: Revista de Geografía INEGI,
3, 37-42.
López-Lara T., Hernández-Zaragoza, J.B, HortaRangel J., Pérez-Rea M.L., Rosales-Hurtado D. y
Castaño Meneses V.M., 2010. Caracterizacion del
material denominado “Tepetate”. XXV Reunión
nacional de mecánica de suelos e Ingeniería
Geotécnica Ed. Sociedad Mexicana de Ingeniería
Geotécnica, A.C. 289-293, Vol. 1
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
6
Elaboración de materiales similares al sillar usando tepetate
Navarro-Garza, H., Zebrowski, C., 1992, Análisis
agronómico comparativo en tepetates: Terra, 10
(Número especial), 451-459
Navarro, H., Flores, D., 1997, Manejo agronómico
diferencial de la asociación maíz-haba en tepetate
de quinto año de uso agrícola, in Zebrowski, C.,
Quantin, P., Trujillo, G. (eds.), Suelos Volcánicos
Endurecidos, III Simposio Internacional, Quito,
December 1996: Quito, Ecuador, Unión Europea
(UE) Institut Français de Recherche Scientifi que
pour
le
développement
en
Coopération
(ORSTOM), Pontifi cia Universidad Católica del
Ecuador (PUCE), Universidad Central del Ecuador
(UCE), 287-295.
Rosales Hurtado David, y López-Lara Teresa, 2011.
Caracterizacion de los tepetates usados como
materiales de sustitucion en la ciudad de
Querétaro. Tesis de Licenciatura, Facultad de
Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro.
Querétaro, Qro; México.
Williams, B.J. y Ortiz-Solorio, Carlos. 1981. “Middle
american folk soil taxonomy”. Annals of the
Association of American Geographers, 71(3): 335358.
Zebrowski, C., 1992, Los suelos volcánicos
endurecidos en América Latina: Terra, número
especial 10, 15-23.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.