Reducción del esfuerzo de expansión en arcilla expansiva con Extracto

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos
e Ingeniería Geotécnica
Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica, A.C.
Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo
Reducción del esfuerzo de expansión en arcilla expansiva con Extracto
Compuesto de Puluxnu
Reduction of the swelling stress in expansive clay with a compound extract of Puluxnu
Alejandro GARCÍA1, Alejandro CORDOVA1, José L. SANCHEZ1, Armando AGUILAR1
1Facultad
de Ingeniería Civil, Universidad Veracruzana, Poza Rica, Veracruz
RESUMEN: En algunas zonas de la ciudad de Poza Rica Veracruz, se han localizado suelos expansivos que con
frecuencia ocasionan daños en pisos y banquetas, implicando altos costos en reparaciones. Estos daños pueden
evitarse o reducirse significativamente, si se mejoran algunas propiedades de las arcillas expansivas. El objeto del
presente proyecto es la estabilización de las arcillas expansivas del tipo CH, a través de la reducción del esfuerzo de
expansión, mediante la adición de un Extracto Compuesto de Puluxnu (ECP). Durante la fase práctica, de las probetas
ensayadas mediante expansión libre y bajo carga in situ, se detecta que con el 5% del ECP y 10% de humedad, se
obtiene una disminución específica del esfuerzo de expansión. Así por ejemplo, de las arcillas obtenidas en dos
regiones, se determinó un esfuerzo de expansión de 2.291 t/m 2 y 12.0 t/m2, respectivamente; mientras que el esfuerzo
de expansión de las mismas arcillas pero ya estabilizadas con el extracto, fue de 0.181 ton/m2 y 8.25 t/m2
comparativamente, lo que representa en conclusión una reducción del esfuerzo del 92.08% y del 31.25%, en cada caso.
ABSTRACT: In some regions of the city of Poza Rica, Veracruz, there are expansive soils that frequently produced
damage in pavement and sidewalks. This kind of damage can be avoiding it if some properties of the expansive clays are
modified. In the present work the improvement of the expansive clays through the use of an additive is studied. The main
objective of the work was to reduce the swelling stress in CH clays, through the addition of a Compound Extract of
Puluxnu (CEP). In the process to choose the additive, sustainable criteria were considered. The specimens were tested
through the free swell test and the load test. According to the results, the swelling stresses of two types of expansive
clays, without additive, were of 2.291 t/m2 and 12.0 ton/m2, respectively. On the other hand, these same expansive clays,
but with the additive (CEP), had values of the swelling stresses of 0.181 t/m2 and 8.25 t/m2, respectively. These last
results represent a reduction of the swell stress of 92.08% and 31.25%, respectively. Finally, it is important to highlight
that the CEP has been only applied and evaluated in the expansive clays that are described in the present work.
1 INTRODUCCIÓN
1.2 Descripción geológica
1.1 Región de estudio
Dentro de los límites del distrito petrolero de Poza
Rica afloran rocas que varían en edad del cretácico
superior al mioceno inferior. Las rocas que afloran en
la ciudad de Poza Rica corresponden a las
formaciones Escolín y Coatzintla de la edad del
Mioceno
Inferior.
La
formación
Escolín,
litológicamente está constituida por arcillas y lutitas
en la base, sobre las que descansan las areniscas y
areniscas conglomeráticas; en la cima se encuentra
un conglomerado. La formación Coatzintla está
constituida por lutitas de color gris, gris plomo y gris
claro, con escasas areniscas de grano fino a medio y
algunos conglomerados variando su espesor de 100
a 480 m.
El 13 de noviembre de 1951 por decreto se crea el
municipio de Poza Rica, ubicado en la región del
Totonacapan al oriente de la República Mexicana,
siendo, por su desarrollo industrial, uno de los
principales de la zona norte del estado de Veracruz.
El municipio se ubica en la margen derecha del río
Cazones. Dicha ciudad se encuentra a 35 km de la
costa; a los 20o 29´ 28´´ de latitud norte y a los 97o
25´ 55´´ de longitud oeste del meridiano de
Greenwich; a 54 metros sobre el nivel del mar
(Petróleos mexicanos, 1977).
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
2
Reducción del esfuerzo de expansión en arcilla expansiva con Extracto Compuesto de Puluxnu
También se tienen suelos que representan
depósitos o material no consolidado, constituido por
arcillas, limos, arenas y gravas, que forman un
relleno en las partes bajas. Su espesor es variable
dependiendo las áreas de depósito y el grado de
madurez de los mismos (AMGP, 1956).
s
1.3 Planta Puluxnu
ne
o
az
oC
a los procesos que permiten el mejoramiento de los
suelos expansivos se pueden identificar los métodos
mecánicos o químicos, los cuales en términos
generales tienen el propósito de: a) incrementar su
resistencia, b) proporcionar o disminuir la
permeabilidad y, c) producir estabilidad volumétrica.
Conforme al Sistema Unificado de Clasificación de
los Suelos (SUCS), el suelo en estudio se ubica
como un suelo expansivo, que se familiariza con el
grupo de las arcillas y limos de alta compresibilidad
CH, OH y MH (Badillo, 2006).
Rí
Zona de estudio
2
1
Figura 1. Poza Rica, Veracruz.
1.2 Suelos expansivos
En algunas regiones de la Ciudad Poza Rica es
posible observar banquetas, pisos, pavimentos y
casas de carga ligera con fracturas. Por otra parte,
sabemos que son diversos los factores que impiden
que todas las edificaciones de las ciudades, sean
eficientes y estén en buen estado. Un factor que con
frecuencia origina daños a las edificaciones, es que
las mismas hayan sido construidas sobre suelos
expansivos. Suelos cuyo comportamiento produce
con frecuencia esfuerzos que no fueron
adecuadamente considerados en la etapa de diseño
y construcción, debido a que estas arcillas se
expanden con la presencia de agua y luego se
contraen con la pérdida de la misma.
Los suelos expansivos están presentes en
diferentes partes del mundo. Por ejemplo,
actualmente contamos con registros de trabajos de
investigadores que han reportado la presencia de
suelos expansivos en: Canadá, Estados Unidos,
Australia, Sudáfrica, India, España, Israel y
Venezuela, entre otros. Ahora bien, México también
presenta este tipo de problemas en varios de sus
Estados como son: Querétaro, Guanajuato,
Michoacán, Tamaulipas, Morelos, Sonora, Baja
California Norte y Sur, Veracruz, Chiapas y
Campeche. Estos Estados presentan los problemas
más significativos de suelos expansivos (Zepeda,
2004).
Para identificar los suelos expansivos existen tres
métodos: El primero es el que se refiere a la
identificación mineralógica, el segundo trata sobre
métodos directos y el tercero son mediciones
indirectas (Zepeda, 2004). Por otra parte, en relación
La planta Puluxnu se distribuye desde el extremo sur
de los Estados Unidos (Texas y Florida), México y
Guatemala hasta Panamá y Colombia, incluyendo
las Antillas. El nombre científico de la especie es
Solanum Erianthum D. Don. Los nombres más
comunes en español son: Berenjena macho,
acachanil, berenjena sin espinas, friega planto,
gordolobo, hoja de lavar trastes, etc.; y en el caso de
la lengua totonaca: Puluxnu. La descripción de la
planta es la siguiente:
a) El tamaño que puede alcanzar es de 2 a 8 metros
de altura.
b) Hojas relativamente gruesas ovado-elípticas de 10
a 25 cm de largo y por 3 a 15 cm de ancho.
c) Flores de botón turbinado (obcónico), 4-6 cm de
largo, cáliz lobado hasta la mitad, los lóbulos
ovados a agudos, de 2.3 a 4.3 mm de largo en la
flor y en el fruto de 2.7 a 7.3 mm de largo, con
pelo dentro y fuera.
d) Frutos y semillas: el fruto es una baya globosa
verde cuando inmaduro, pero amarilla cuando
madura, de 9 a 12 mm de diámetro, con pelos
cortos. Esta planta presenta semilla numerosa,
de 1.4 a 2 mm de largo por 1.1 a 1.6 mm de
ancho (Rojas y Vibrans, 2010).
2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL
2.1 Extracto Compuesto de Puluxnu
El Extracto Compuesto de Puluxnu fue elaborado en
la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad
Veracruzana bajo criterios sustentables, pues se
espera sea un estabilizante de fácil empleo en la
industria de la construcción. El ECP propuesto
contiene: alcohol, jabón, vinagre, agua y el extracto
de Puluxnu.
2.2 Elaboración de probetas
Para la elaboración de las probetas remoldeadas sin
estabilizante, se utilizaron 300 gr. de material,
tamizado por la malla No. 10, al cual se le agregó
15% de humedad respecto al peso de la muestra,
amasándola uniformemente y colocándola en 3
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
GARCÍA A. et al.
2.3 Determinación de presión de expansión
Se emplearon dos procedimientos para estudiar las
arcillas, que se obtuvieron de dos zonas de la ciudad
de Poza Rica (Figura 1). El primer procedimiento
elegido para calcular la presión de expansión de las
arcillas fue el método directo de “Expansión libre”.
Dicho método consiste en inundar la muestra permitiendo que se expanda verticalmente bajo una presión de contacto (sobrecarga) de 1 kPa
(0.01kg/cm2), aplicada a la piedra porosa superior y
a la placa de carga, hasta que se recupere su relación de vacíos que mantenía antes de la saturación.
La presión total aplicada hasta este punto, se define
como presión de expansión (Figura 2). La prueba
deberá continuar con cargas adicionales, y subsecuentes descargas, como lo establece una prueba
de consolidación convencional (5, 10, 20, 40, 80,
etc., kPa), (ASTM-D4546-03).
e0
Saturación
Presión de expansión, P
Ct
Cts
1 kPa
Esfuerzo efectivo vertical
(Escala logarítmica)
Figura 2. Método de expansión libre
El segundo procedimiento empleado para
determinar la presión de expansión, es el método
bajo carga. Este método consiste en aplicar una
carga vertical al espécimen, la cual puede ser la
sobrecarga vertical “in situ” o una carga mayor, de
acuerdo al esfuerzo que se estime podrá transmitir
una estructura dada. Posteriormente, se permite el
acceso de agua. Las consecuencias pueden ser
varias: a) expansión, b) contracción, c) expansión y
luego contracción, y d) contracción y luego
expansión. La cantidad de expansión o asentamiento
se mide hasta que resulta despreciable, la variación
de volumen del suelo bajo la carga aplicada. El
ensaye deberá continuar con cargas adicionales (5,
10, 20,40, 80, etc., kPa) y subsecuentes descargas
como lo establece la prueba de consolidación
convencional (ASTM-D4546-03).
Presión de expansión, P
Saturación
capas. Entre cada capa se le aplicaron 55 golpes,
para lograr una energía especifica (Ec) de 6.0 (kgcm)/cm3. Una vez realizado lo anterior, la probeta
obtenida se colocó dentro del anillo metálico del
equipo de consolidación, para su saturación de
acuerdo a la normatividad.
En el caso de las probetas con ECP, primero se
determinó la cantidad necesaria de estabilizante en
el suelo, por lo que se procedió a probar 3
concentraciones de 1%, 5% y 10%. Se concluyó que
la concentración del 5% era la más conveniente, ya
que brinda una notable disminución del esfuerzo de
expansión, y se vuelve muy manejable la masa del
suelo para la elaboración de las pastillas a ensayar.
El proceso empleado para la elaboración de las
probetas remoldeadas fue el siguiente:
1. Se tomaron 300 gr. de suelo, previamente tamizado por la malla No. 10.
2. Se depositó el material en una charola.
3. Con respecto al peso del suelo se añadió el 5% de
ECP y 10% de agua.
4. Como el proceso de mezclado fue manual, se
permitió un tiempo de 3 minutos verificando que
tanto el agua como el ECP, quedaran homogéneos en toda la masa del suelo.
5. Se procedió a colocar el material dentro del molde
en 3 capas, aplicándole los golpes de acuerdo a la
energía específica considerada.
3
e0
1 kPa
Esfuerzo efectivo vertical
(Escala logarítmica)
Figura 3. Método bajo carga in situ
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
4
Reducción del esfuerzo de expansión en arcilla expansiva con Extracto Compuesto de Puluxnu
Los experimentos fueron realizados con
edómetros de tecnología italiana, los cuales cuentan
con transductores, que permiten la toma de datos de
manera automática, mismos que son evaluados con
el software Geolab2000 (Figura 4).
 Existe un incremento del peso volumétrico de 7%,
como se observa en la Figura 6.
Peso Volumétrico-Humedad
1.85
Peso volumétrico
1.8
1.75
1.7
P.V-W% (S/E)
P.V-W% (C/E)
1.65
1.6
1.55
9.00%
11.00%
13.00%
Humedad inicial
15.00%
17.00%
Figura 6. Relación entre peso volumétrico y la humedad
inicial del suelo S/E y C/E.
Figura 4. Equipo de consolidación
3. RESULTADOS
Al analizar los resultados de la prueba de expansión
libre del suelo de la zona uno, se determinó que el
esfuerzo medio de expansión en su estado natural
es de 2.292 Ton/m2. Mientras que el esfuerzo medio
de expansión del suelo estabilizado es de 0.181
Ton/m2, dando como resultado una reducción de
esfuerzo del 92.08%. Esta información se puede
apreciar en la Figura 5.
Mediante las pruebas realizadas bajo carga in situ
al suelo de la zona dos se determinaron los valores
del esfuerzo medio de expansión (Figura 7). De
manera que el esfuerzo medio de expansión para el
suelo en su estado natural, resultó de 12 ton/m2, en
tanto que el esfuerzo medio de expansión de la
arcilla estabilizada, fue de 8.25 ton/m2, dando como
resultado una reducción de esfuerzo del 31.25%.
Esfuerzo de expansión (ton/m2)
18
16
14
Esfuerzo de expansión
12
(ton/m2)
10
4.5
8
4
6
3.5
4
3
2
2.5
0
2
0
1
2
3
Esfuerzo de expansión S/E
1.5
4
5
6
7
Esfuerzo de expansión C/E
Figura 7. Comparación entre el esfuerzo de expansión
del suelo de la zona 2 sin estabilizante (S/E) y con
estabilizante (C/E), bajo carga in situ
1
0.5
0
1
2
3
Esfuerzo de expansión en suelo S/E
4
5
6
Esfuerzo de expansión en suelo C/E
Figura 5. Comparación entre el esfuerzo de expansión
del suelo de la zona 1 sin estabilizante (S/E) y con
estabilizante (C/E)
En referencia a la correlación entre el peso
volumétrico inicial del suelo y la humedad; se emiten
las siguientes inferencias:
En relación con el peso volumétrico inicial del
suelo estabilizado se emiten las siguientes
inferencias:
 Se densifica la arcilla con el ECP.
 Existe un incremento del peso volumétrico del
1.5%, el cual se puede observar en la Figura 8.
 Se densifica el material con el estabilizante.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
GARCÍA A. et al.
5
e Irma Sandoval González, para la realización del
presente proyecto.
Peso volumétrico(gr/cm3)
1.8
1.75
REFERENCIAS
Peso volumétrico
1.7
1.65
Peso Volumétrico S/E
Peso volumétrico C/E
1.6
1.55
1.5
1.45
1
2
3
4
5
6
Figura 8. Peso volumétrico de arcilla CH de la zona 2
sin estabilizante (S/E) y con estabilizante (C/E).
4. CONCLUSIONES
La adición de ECP a las arcillas expansivas ha
mejorado el comportamiento de dichas arcillas,
particularmente, ha reducido en forma significativa el
valor del esfuerzo de expansión de las mismas
(Figuras 5 y 7). Será importante darle continuidad a
la investigación, caracterizando la mezcla del suelo y
el compuesto motivo del estudio, para definir su
comportamiento mecánico en el tiempo. Los
resultados de esas nuevas investigaciones,
proporcionarán mayor información sobre la
estabilización de la arcilla CH mediante la adición de
ECP. Finalmente, con el presente trabajo se brinda
un nuevo método para reducir el esfuerzo de
expansión en arcillas CH. De esta forma y después
de finalizada esta etapa de investigación y análisis
de datos, se determina que:
Asociación Mexicana de Geólogos Petroleros- XX
Congreso
Geológico
Internacional
(1956),
Geología entre México, D.F. y Huauchinango,
Pue. Campos Petroleros de Poza Rica, Ver. y
Nueva Faja de Oro, Ver., Asociación Mexicana de
Geólogos Petroleros: 10-20.
ASTM-D4546-03. - “Standard Test Methods for One
– Dimensional Swell or Settlement Potential of
Cohesive Soils.
Juárez Badillo - Rico Rodríguez, 2006, Mecánica de
Suelos, Tomo I, Limusa: 97.
Petróleos mexicanos (1977), Poza Rica-Apuntes
para su Historia, Petróleos Mexicanos: 5-10.
Rojas, S. y Vibrans H., 2010, Malezas de México,
http://www.conabio.gob.mx/malezasdemexico/sol
anaceae/solanum-erianthum/fichas/ficha.htm
fecha de acceso 6 de julio de 2012.
Zepeda Garrido José Alfredo, 2004, Mecánica de
Suelos no Saturados, Sociedad Mexicana de
Mecánica de Suelos, A.C., Universidad Autónoma
de Querétaro: 34-37.
 El ECP tiene un efecto en la reducción del
esfuerzo de expansión en arcillas CH.
 El estabilizante sólo ha sido aplicado y evaluado
con una arcilla de alta compresibilidad (CH). De
manera que se requieren más estudios para
verificar si se pueden conseguir mejoras mediante
la adición de ECP en suelos diferentes a las
arcillas CH descritas en el presente proyecto.
 El producto estabilizante debe ser elaborado con
los elementos considerados en el proyecto, y con
el consentimiento de las autoridades de la
Universidad Veracruzana.
AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo ha sido realizado con el apoyo de
la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad
Veracruzana en Poza Rica. Se agradece
especialmente, la valiosa colaboración de Neida
Nohemí Hernández Pacheco, Jorge Guerra Segura,
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.