A10GAAS_1

Análisis químico de un suelo colapsable en la zona de Ecatepec de Morelos,
Estado de México
Chemical analysis of a metastable soil in the area of Ecatepec de Morelos, State of Mexico
Irvin BONOLA1, Adán BONOLA2, Marlenne GALINDO3, Samantha GARDUÑO4, Alma ONOFRE5 y Jorge TINOCO6
1Universidad
2,3,4,5,6 Escuela
Autónoma Metropolitana Unidad Xochimilco, D.F., México.
Superior de Ingeniería y Arquitectura, Ingeniería Civil. Instituto Politécnico Nacional Unidad Zacatenco,
D.F., México.
RESUMEN: Se describe la importancia de un análisis químico, de un suelo en la zona de Ecatepec de Morelos, Estado de
México, para su caracterización geotécnica y su posible estabilización. Se realizó un sondeo en un pozo a cielo abierto
hasta una profundidad de 2.00 m, en una zona que presenta un enriquecimiento con sales a partir de los primeros
centímetros; en el cual puede ocurrir un intercambio de elementos y el agua. Con el objetivo de conocer las propiedades
químicas del suelo, se realizó el análisis como lo indica la Norma Oficial Mexicana NOM-021-RECNAT-2000 determinando
algunos componentes químicos que puedan intervenir en el colapso del suelo y buscar alternativas para su estabilización;
la ejecución de éstas pruebas nos indican que se tiene un suelo calcáreo con características de pH básico, bajo porcentaje
de materia orgánica y un intercambio catiónico que sugiere que se tiene un suelo de la familia de los aluminosilicatos. Al
obtenerse estos resultados consideramos que se debe continuar con estas pruebas para confirmar la caracterización del
suelo y contribuir a su estabilización mediante el mejoramiento del mismo para evitar el colapso.
ABSTRACT: The importance of a chemical analysis of a soil in Ecatepec de Morelos, State of Mexico, for geotechnical
characterization and possible stabilization is described. A survey was conducted in open pit to a depth of 2.00 m, in an area
that has enrichment salts since the first centimeters; in which it may be an exchange of components and water. In order to
know the chemical properties of the soil, the analysis was performed as indicated by the Mexican Official Standard NOM021-2000-RECNAT determining some chemical components that may be involved in the collapse of the soil and seek
alternatives for stabilization; the execution of these tests indicate that there is a calcareous soil with characteristics of basic
pH, low percentage of organic matter and a cation exchange suggests that soil has a family of aluminosilicates. When we
consider that these results obtained should continue these tests to characterize the soil and contribute to its stabilization by
improving the same to avoid collapse.
1 INTRODUCCIÓN
1.1 Suelos
En general, los suelos están conformados por
diversas partículas, agua, materiales disueltos y
gases, además de presentar diversas características
como el tamaño de partícula y una diversidad de
componentes que le proporcionan numerosas
características. Algunos de estos componentes
incluyen iones como el magnesio, calcio y potasio,
entre otros, los cuales se asocian para formar
compuestos que le pueden proporcionar estabilidad o
características diversas al suelo. Elementos como el
carbonato (calcita), sulfatos (yeso) y óxidos
(especialmente los óxidos de hierro) también pueden
encontrarse en el suelo. En el caso de los carbonatos
y sulfatos, son elementos muy solubles y reactivos
que influyen en el comportamiento del mismo (Chica,
2008).
Se ha considerado por este último punto que los
elementos que reaccionan en el suelo pueden
modificar sus propiedades mecánicas, ocasionando
que posean una menor estabilidad (Kerry, 2001).
Por tal motivo, es importante estudiar las
características
químicas
del
suelo,
para
complementar aquellos estudios mecánicos que
pueden indicar las fallas y posibles mejoras que
pudieran implementarse a los suelos para su uso en
la construcción.
1.2 Zeolita
Diversos estudios han buscado mejorar las
características del suelo para su utilizarlo en procesos
constructivos.
Un elemento que pudiera contribuir a modificar las
características del suelo es la zeolita.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
2
Análisis químico de un suelo colapsable en la zona de Ecatepec de Morelos, Estado de México
La zeolita es un aluminosilicato hidratado cristalino
(arcilla) con estructura tridimensional capaz de
retener y liberar agua e intercambiar iones sin
modificar su estructura atómica, intercambiando
iones como calcio, magnesio, potasio y amonio,
fosfatos y material otro tipo de materia orgánica. Su
estructura es similar al de un panal de abejas la cual
está conformada de túneles interconectados que
forman amplias áreas superficiales para realizar el
intercambio catiónico y la adsorción de humedad.
Este elemento ha sido estudiado principalmente
como agente en el mejoramiento de suelos en
agricultura, pero podría emplearse en otro tipo de
condiciones para cambiar las características
químicas del suelo. (Huerta, 2010., Tsujiguchi2014).
2 SUELOS
2.1 Caracterización
La importancia del estudio del suelo antes de
realizar procesos constructivos son las características
físicas y químicas del suelo. En este último punto, la
norma oficial mexicana NOM-021-SEMARNAT-2000
establece las pruebas que deben incluirse para el
estudio, muestreo y análisis del suelo e incluyen
pruebas para determinar la fertilidad, salinidad y
clasificación, en donde encontramos ensayos que
determinan características como el pH, humedad,
porcentaje de carbono, materia orgánica, capacidad
de intercambio catiónico y aniones solubles como
carbonatos, bicarbonatos y cloruros, entre otros.
2.2 Materia Orgánica
La materia orgánica del suelo indica la fracción
orgánica que posee residuos vegetales y animales en
diversos estados de descomposición, tejidos y células
de organismos que viven en el suelo. La parte de
materia orgánica se llama humus y en esta fracción
se regulan los procesos químicos que influyen en las
propiedades físicas del suelo.
La materia orgánica contribuye a la liberación de
elementos como nitrógeno, fósforo, azufre y otros
micronutrientes para plantas, así como estabilizar la
acidez del suelo, retención de cationes y
mejoramiento de la infiltración del agua en el suelo.
(Bornemisza, 1982).
2.3 Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)
La capacidad de intercambio catiónico del suelo o sus
componentes indica el número de moles de iones de
carga
positivos
absorbidos
que
pueden
intercambiarse por unidad de masa seca, bajo
condiciones establecidas de temperatura, presión,
composición de la fase líquida y la relación de masasolución.
Esta característica del suelo puede indicarnos la
forma en la cual muchos de los cationes que pueden
intervenir en la resistencia o fertilidad del suelo,
debido a que una CIC elevada nos muestra que el
suelo podría ser colapsable en el caso de utilizarse
para procesos constructivos o si fuera empleado para
la agricultura, que sería un suelo fértil debido a los
componentes que podrían proporcionarse a las
plantas (Porta et al., 2003).
DISEÑO DEL ESTUDIO
2.4 Zona de Estudio
Se realizó un estudio de las características
químicas del suelo en una zona del poniente del
estado de México que de acuerdo a las unidades
edafológicas se tiene clasificado como “solonchak”.
De acuerdo al “Mapa de Riesgos Geológicos de la
Zona Metropolitana del Valle de México” se localiza
una “falla inferida” en el área de estudio, el cual a
partir de los primeros centímetros de profundidad
posee un enriquecimiento secundario con sales
fácilmente solubles en agua. Además de esto, en el
Valle de México existen variaciones del nivel de
aguas friáticas debido a la explotación de agua,
infiltraciones de agua de lluvia o fuentes diversas, a
los periodos de secas y lluvias, por lo que se
encuentran suelos no saturados y debido a estas
variaciones del nivel friático y las sales contenidas, el
suelo puede presentar asentamientos bruscos
causados por el colapso de la estructura del suelo,
debido a la disolución de las sales presentes en el
agua.
Por tal motivo, el suelo puede humedecerse
localmente y esto ocasiona que el asentamiento sea
diferente de un punto a otro, produciendo con ello un
agrietamiento de las estructuras debido a los
componentes presentes en el suelo.
2.5 Características del suelo
El sitio de estudio se localiza en la colonia del Valle
de Santiago, Ecatepec de Morelos, México. El
municipio forma parte del área metropolitana de la
ciudad de México y se considera parte de la
denominada zona de lago.
Se realizó como método de exploración un pozo a
cielo abierto; partiendo de que se producen
asentamiento diferenciales debido a la fluctuación de
la humedad del suelo en los estratos superficiales;
realizado por medios manuales hasta profundidad de
2.20 metros, en el cual se encontraron tres estratos
descritos y clasificados visualmente y al tacto,
además de un nivel de aguas friáticas a una
profundidad de 1.27 metros.
ANÁLISIS QUÍMICO
2.6 Análisis químico del suelo y Zeolita
El análisis químico del suelo se realizó en la zona
de estudio debido a que tiene un comportamiento
donde se presumió que ocurre un intercambio de
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
(solamente escribir primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre con punto et al.
cationes entre el agua y las partículas adsorbidas por
las partículas minerales de éste; algunas veces en
reacción rápida con los cationes intercambiables más
usuales como el sodio, potasio, calcio, protones libres
y amoniaco.
Las pruebas realizadas para este proyecto se
establecieron con la intención de conocer las
propiedades químicas del suelo, específicamente de
elementos que contribuyen a la pérdida en la
estructura y ruptura del mismo, produciendo
posteriormente una compresión y falla. Se
determinaron: el potencial de hidrógeno (pH), el
contenido de materia orgánica/% M.O.), la capacidad
de intercambio catiónico (CIC) y de los aniones
solubles. Todas estas pruebas publicadas en la NOM021.SEMARNAT-2000,
que
establece
las
especificaciones de clasificación de sueños, su
estudio, muestreo y análisis en el ámbito
correspondiente.
Estas pruebas también se realizaron a la zeolita
con el objetivo de determinar sus características y
definir si pudieran combinarse con el suelo que se
estaba analizando con el objetivo de mejorarlo para
evitar su colapso.
2.7 Resultados
A continuación, en la tabla 1 y 2 se muestran los
resultados de las pruebas realizadas como lo indica
la NOM-021.SEMARNAT-2000 al suelo y zeolita que
fueron seleccionados para el estudio:
Tabla
1. Características del suelo y zeolita
____________________________________________________
_
Profundidad
pH
Característica
____________________________________________________
_
0.52
8.05
Medianamente alcalino
1.57
7.24
Neutro
2.04
8.35
Medianamente alcalino
Zeolita
8.45
Medianamente alcalina
____________________________________________________
_
Tabla 2. Determinación de propiedades químicas del suelo
y
zeolita natural en el laboratorio.
____________________________________________________
_
Profundidad
%C
%M.O
CIC
CO32HCO2Cl____________________________________________________
_
0.52
1.37
2.36
25.7
1.25
5.44
1.64
1.57
2.90
5.00
24.6
------2.04
3.48
5.99
24.3
0.50
1.19
1.15
Zeolita
2.82
4.86
34.4
0.50
0.69
1.12
____________________________________________________
_
Las características del estrato localizado a
profundidad de 0.30 a 1.57 m se indican que se
encuentra en estado no saturado y el localizado entre
1.57 a 2.20 m se encuentra en condiciones saturadas
y sumergidas, ambos reaccionando con HCl (ácido
clorhídrico), lo cual nos indica la presencia de
carbonatos que pueden interactuar con las
fluctuaciones del nivel de aguas friáticas.
Los resultados de las pruebas indican un suelo
calcáreo con características de pH básico, con poca
cantidad de materia orgánica (menor al 4%), lo que
demuestra que son suelos volcánicos, así como un
3
intercambio catiónico medio para el suelo que podría
mostrar que el suelo se encuentra en el grupo de las
cloritas. Por el contrario, la zeolita muestra un elevado
intercambio catiónico.
2.8 Discusión de Resultados
Se ha descubierto que la retención de nutrientes
del suelo y por ende sus características provienen de
la cantidad de cargas negativas por unidad de
superficie que posea la fracción sólida del mismo o
Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC), ya que
una elevada CIC indica una mayor retención y
disponibilidad de iones para plantas y menor
lixivación de los iones. (Huerta, 2010).
Espinosa y colaboradores en un estudio donde
aplicaron zeolita mezclada con otros componentes
orgánicos obtuvieron como resultado un mayor
rendimiento de la producción de frijol, así como del
contenido de P2O5, K2O, materia orgánica y valores
de pH del suelo (Espinosa et al., 2011).
Ensayos realizados con adición de zeolita a la urea
como fertilizante nitrogenado mostraron una
reducción en la pérdida de este elemento y un
incremento en la acumulación de nitrógeno en las
plantas al compararse con los tratamientos en donde
solo se utilizó urea (Huerta 2010).
La zeolita natural es conocida como un mineral que
tiene la capacidad de retener agua o bien, no perderla
rápidamente, por lo cual, se considera en ocasiones
un posible material para el mejoramiento de suelo,
evitando de esta forma la formación de grietas por
tensión interna existente entre partículas y partículas.
Ocasionalmente, se ha postulado a la zeolita como un
material que podría utilizarse para disminuir el cambio
brusco volumétrico del suelo, teniendo la oportunidad
de generar una estructura sólida antes de perder el
contenido de humedad inicial.
Sin embargo, muchas de las características de la
zeolita que fueron observadas en este estudio
coinciden con lo revisado en la bibliografía en donde
la aplicación principal de la zeolita ha sido en la
agricultura y mejoramiento de suelo para el
crecimiento de plantas.
3 CONCLUSIONES
En este proyecto se determinaron ciertas
características del suelo y la zeolita para definir si
pudieran combinarse para el mejoramiento del suelo
y con ello contribuir a procesos constructivos. Sin
embargo, pese a que la zeolita equilibra el pH al evitar
la dispersión de iones ácidos y atrae metales como
mercurio, plomo, cadmio y arsénico, entre otros,
contribuye a evitar el intercambio de cationes como el
calcio, sodio, magnesio y fósforo, se deben realizar
más estudios para definir si pudiera emplearse en
combinación con diversos suelos para mejoramiento
de los mismos y evitar su colapso.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
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Análisis químico de un suelo colapsable en la zona de Ecatepec de Morelos, Estado de México
Parece que la información recabada de diversos
autores indican que la zeolita ha sido utilizada
principalmente para el mejoramiento de los suelos en
la agricultura, así que tendrían que realizarse otro tipo
de estudios o realizar combinaciones con diversas
cantidades de zeolita y otros elementos que pudieran
reducir el intercambio catiónico y la pérdida de agua
para evitar el colapso del suelo y con esto contribuir a
su mejoramiento.
of Its Cation Exchange Capacity”. J. Am. Ceram.
Soc., Vol. 97 (1): 114-119.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al M. en I. Ricardo
Rodríguez Segura, Ing. Civil Eloisa Cruz Domínguez
e Ing. Bioquímico Esmirna Betanzo Velasco por su
valiosa colaboración y asesoría en el presente
trabajo. Asimismo, a la Escuela Superior de
Ingeniería y Arquitectura (ESIA Zacatenco) por
permitirnos trabajar en las instalaciones del
Laboratorio de Mecánica de Suelos y el Laboratorio
de Ingeniería Sanitaria.
REFERENCIAS
Bornemisza E. (1982). Introducción a la química de
suelos. Universidad de Costa Rica, San José Costa
Rica. Secretaria General de la Organización de los
Estados Unidos Americanos. Programa Regional
de Desarrollo Científico y Tecnológico, Monografía
25: 21-47.
Espinosa W., Vera M. y Váldes N. (2011). “Efecto de
la aplicación de zeolita mezclada con estiércol
vacuno sobre el rendimiento en grano de frijol
común y las propiedades químicas del suelo”,
Centro agrícola, 38, Vol. 2: 73-75.
Huerta H. (2010). “Determinación de propiedades
físicas y químicas de suelos con mercurio en la
región de San Joaquín Querétaro y su relación con
el crecimiento bacteriano”. Tesis de licenciatura en
Biología. Universidad Autónoma del Estado de
Querétaro, México.
Kerry R.(2001). “Geotechnical and geoenvironmental
engineering handbook”. Tomo 2. Canada.
Mapa de Riesgos Geológicos de la Zona
Metropolitana del Valle de México. (2000) Unidad
de Estudios Tecnológicos, Gobierno del Distrito
Federal, Oficialía Mayor.
Norma Oficial Mexicana: NOM-021-SEMARNAT2000. Especificaciones de fertilidad, salinidad y
clasificación de suelos, estudio, muestreo y
análisis.
Porta J., López M. y Laburu R. (2003). “Edafología
para la agricultura y el medio ambiente”, 3ª edición,
España. Editorial Mundi-prensa.
Tsujiguchi M., Kobashi T., Utsumi Y., Kakimori N. y
Nakahira A. (2014). “Syntesis of Zeolite a from
aluminoborosilicate Glass Used in Glass
Substrates of Liquid Crystal Display and Evaluation
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.