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.