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

Modificación de suelos expansivos con material recicladoModification of expansive soils from recycled material

Elda MONTES-ZARAZÚA1, Arturo COLÍN-CRUZ2, María de la Luz PÉREZ-REA3, Ana L.aura MARTÍNEZ-HERNÁNDEZ4 y Carlos VELASCO-SANTOS54

1Estudiante, Doctorado en Ciencias Ambientales, Universidad Autónoma del Estado de México, e-mail: elda_montes@hotmail.com

2Profesor-Investigador, Facultad de Química, Universidad Autónoma del Estado de México, e-mail: acolinc@uaemex.mx

3Profesor-investigador, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro, e-mail: perea@uaq.mx 4Profesor-investigador, División de Estudios de Posgrado e Investigación, Instituto Tecnológico de Querétaro,

e-mail: almh72@gmail.com 5Profesor-investigador, División de Estudios de Posgrado e Investigación, Instituto Tecnológico de Querétaro,

e-mail: cylaura@gmail.com

RESUMEN: En México, como en otros países, los problemas generados por suelos expansivos provocan pérdidas monetarias. Usar materiales que disminuyan este potencial expansivo llega a encarecer una obra y hacerla incosteable. Un residuo sólido de desecho como lo es la pluma de ave, rica en queratina, puede ser usado para la modificación de las propiedades del suelo. En este trabajo se determina la caracterización geotécnica de los suelos expansivos estabilizados con queratina y se disminuye la cantidad de residuos sólidos en el medio ambiente. Se determinaron las propiedades del suelo natural para obtener parámetros de comparación con suelos modificados, se realizaron también ensayes para determinar los límites de Atterberg, humedad, granulometría y densidad de sólidos. Los resultados obtenidos muestran un cambio en las propiedades del suelo modificado que indica que se puede esperar una disminución del potencial de expansión.

ABSTRACT: In Mexico and other countries problems generated by expansive soils causing monetary losses. Materials used to reduce the expansive potential become the constructions expensive and unaffordable. Solid wastes such as the feathers are rich in keratin and it can be used for the modification of soil properties. In this paper the geotechnical characterization of expansive soils stabilized with keratin is determined and consequently the amount of solid waste on the environment decrease. Properties of natural soils have been determined for comparison with modified soils. Laboratory tests are made to determine the Atterberg limits, moisture, granulometry and density of solids. The results show a change in the properties of modified soil which indicates that also expect a reduction of expansive potential.

1 INTRODUCCIÓN

Jones y Holtz (1973) estimaron que el monto de los daños atribuidos a movimientos de suelos expansivos era del orden de 2,255 millones de dólares (principalmente en carreteras, edificios comerciales y casas unifamiliares), lo cual excede el promedio anual de los daños causados por inundaciones, huracanes, sismos y tornados.

Con el fin de obtener materiales con las propiedades requeridas para la estabilización de suelos, se han desarrollado una gran cantidad de investigaciones. Existe gran variedad de materiales de tipo inorgánico reportados, por ejemplo: cemento, cal, ceniza puzolánica (Fly ash), entre otros; mismos que se han utilizado ampliamente para incrementar las propiedades mecánicas de los suelos.

Recientemente se han realizado estudios relacionados con la estabilización de suelos mediante el uso de queratina. En uno de estos estudios se utilizó lana (Petric-Gray et al., 2009) como parte de una mezcla en busca de la estabilización de los suelos usados en la industria de la construcción, entre los resultados se observó que los suelos estabilizados con lana aumentan la resistencia considerablemente comparándolos con los suelos sin estabilizar.

Sin embargo aunque los resultados del uso de queratina de lana resultan alentadores, esto está apenas en inicios y la lana es una materia prima de la industria textil y no un residuo que pudiera emplearse con este fin.

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2 Título del trabajo

Actualmente se están realizando estudios con el fin de poder aprovechar la pluma de ave como fuente de queratina para estabilizar los suelos y evitar posibles accidentes debido a las fallas que se presentan en el suelo por su inestabilidad volumétrica a causa de cambios en su contenido de agua.

La queratina, es una proteína fibrosa con funciones mecánicas esenciales para los vertebrados, dentro de algunas de sus propiedades se encuentra su resistencia, insolubilidad, no es reactiva químicamente y es adecuada para estar expuesta a condiciones ambientales severas; las plumas son flexibles y después de repetidas deformaciones se recuperan con pequeñas pérdidas de sus propiedades (Martínez-Sanchez, 2007).

Los suelos expansivos son suelos que tienen la característica de variar su volumen dependiendo del contenido de agua, es decir, si hay aumento de humedad el suelo se expande y se contrae cuando hay disminución de humedad.

En este trabajo se plantea el uso de la pluma para disminuir el potencial expansivo del suelo.

2 MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 MaterialesSe llevó a cabo la obtención de la queratina mediante la recolección de plumas de pollo las cuales fueron tratadas para su posible trabajo. El tratamiento incluyó básicamente: lavado, secado, triturado y separación, en la cual se obtuvieron dos lotes; (QA) y (QB). Se continúa con la obtención de muestras de suelo alteradas e inalteradas, para lo cual fue necesaria una revisión de la bibliografía de zonas con suelos de tipo expansivo en el estado de Querétaro, en donde se seleccionó el fraccionamiento de Santa Fe en el municipio de Corregidora, Qro., ubicado en la carretera a Tlacote (Fig. 1).

Se procedió con la extracción de las muestras alteradas de acuerdo a la Norma Mexicana NMX-C-430-ONNCCE-2002 (2002), a la CFE (1979) y a la SAHOP (1974). Para la definición del perfil estratigráfico se obtuvieron las muestras a cada 30 cm después se extrajo la muestra inalterada a una profundidad de 60 cm.

2.2 EquipoEl equipo necesario fue aquel que permitiera conocer las propiedades del suelo según los requerimientos de este trabajo. Entre ellas se encuentran: Equipo para límites de Atterberg, como es; copa de Casagrande, ranurador, espátula de cuchillo, molde de contracción lineal y caja petri que

se desarrollo en base a la técnica mencionada en por Juárez y Rico (1999) y de acuerdo a las normas ASTM D423-66 (1972), AASHTO T89 (2010),

AASHTO T90 (2000) y, ASTM D4318-10 (2010); con éstos se definen propiedades características del suelo, así como parámetros que hacen posible su clasificación. Se realizó densidad de sólidos (ASTM D854-02, 2002 y AASHTO T100, 2006) con el fin de determinar grado de saturación y relación de vacios del material en estudio. El equipo principal usado fueron matraces aforados, termómetro, pipeta y bomba de vacío. Finalmente, la granulometría (AASHTO T88, 2010 y ASTM D422-63, 2007), está nos permite definir parte de la clasificación del suelo en estudio, para ella se uso un juego de mallas completo; y en todas las pruebas se hizo uso de un horno eléctrico de 110º C 5º C y una balanza para el pesado de las probetas.

Figura 1. Croquis de localización del fraccionamiento Santa Fe.

2.3 MétodosEl fin general de las pruebas de identificación y clasificación del suelo es la obtención de parámetros que servirán de comparación con el suelo que será modificado con la queratina. Para el suelo modificado se establecen arbitrariamente cuatro porcentajes de queratina con los dos lotes de ésta, los cuales son: 0.25%, 0.5%, 1% y 3% en peso. Las pruebas que se realizan son: límites de Atterberg, densidad de sólidos y granulometría.

2.4 Preparación de las muestrasSe decidió realizar las pruebas de los límites de Atterberg de la siguiente manera (Pérez y Moncayo, 1996):

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El suelo es secado al aire y posteriormente molido a mano en un mortero. Este suelo debe ser cribado por la malla no. 40 (0.42 mm).

Para el suelo sin queratina: Se toma el suelo que pasa por la malla no. 40 y

se hidrata guardándose en un recipiente cerrado y dejándose así por lo menos 24 hrs. a fin de que se homogenice la humedad.

Se deposita una parte en una cápsula de porcelana; se le agrega agua y se mezcla con una espátula de cuchillo hasta que tenga consistencia suave y sin grumos.

Se coloca en la copa de Casagrande y se le determina el límite líquido.

Se determina el límite de contracción mediante el método de Terzaghi y el de The Public Road Administration.

Se determina también el límite plástico.

Para el suelo con aditivo: Se efectúa la preparación de manera similar: Del material que pasa la malla no. 40, se toman

0.50 kg y se calcula la cantidad de aditivo que ha de agregarse al suelo de acuerdo con las proporciones establecidas 0.25, 0.5, 1 y 3% en volumen de suelo seco.

El suelo mezclado y humedecido se dejará en reposo durante 24 horas para que se distribuyera la humedad y posteriormente se le realizarán los ensayes de límite líquido, límite plástico y límite de contracción de la manera tradicional.

En cuanto a la prueba de densidad de sólidos se siguieron los métodos tradicionales con el cribado por la malla no. 4 (4.75 mm), con la única diferencia que en el suelo modificado, la queratina fue agregada con los porcentajes en peso seco antes mencionados.

3 RESULTADOS

Mediante la caracterización del suelo en su estado natural, se pudo corroborar que se trataba de un suelo con potencial expansivo, ya que de acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) este es del tipo CH (Arcilla de Alta Compresibilidad). Según sus propiedades de plasticidad y de acuerdo al criterio de Chen (1975), el suelo puede ser clasificado como altamente (o medianamente) expansivo. En la Figura 2 se puede observar el perfil estratigráfico que se obtuvo del lugar.

Durante la realización del estudio se pudo observar que, por lo general, el agrietamiento vertical prevalece hasta 1.20 m de profundidad, en algunas zonas; a partir de ahí se tiene un cambio del tipo de suelo.

Figura 2. Perfil estratigráfico en el pozo a cielo abierto realizado en el predio.

La humedad del suelo in situ se determinó para conocer el peso seco del suelo y así agregar la queratina necesaria para cada una de las proporciones y realizar las pruebas.

Una de las principales modificaciones que tuvo el suelo al agregarle la queratina fue su densidad, ya que la densidad de la pluma es muy baja, lo cual produjo que se disminuyera la del suelo en un 8% sobre todo para el caso de la queratina tipo (QB), como se puede observar en la Figura 3. En esta figura se encuentran las densidades de los suelos modificados, así como el suelo natural (SN). La densidad de sólidos se determinó con base a las normas ASTM D854-02 (2002) y AASHTO T100 (2006). También se puede observar al límite de contracción (LC) dentro de la misma Figura 3, en donde se aprecia que para los resultados del 3% en ambos lotes de queratina este valor aumentó, indicando así que el potencial expansivo ha disminuido. De acuerdo con Juárez y Rico (1999), entre mayor sea el LC en los suelos dicho potencial es más pequeño, lo que hará al suelo factible para desplantarla cimentación de una edificación.

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4 Título del trabajo

Figura 3. Densidad de sólidos (Ss) y límite de contracción (LC).

En los resultados obtenidos mediante la modificación del suelo, se encontró que los límites de Atterberg se vieron modificados como era de esperarse, las variaciones no fueron tan significativas para los porcentajes de 0.25, 0.5 y 3%, sin embargo para el valor de 1% se presenta una variación significativa respecto a los otros valores del límite líquido (LL) en el caso del lote de queratina (QA). Para el lote de queratina (QB) el suelo se ve modificado en su clasificación en todos los porcentajes. El índice de plasticidad (Ip) disminuye en todos los casos solo para el punto 3 mostrado en la Figura 4, se tuvo un incremento. En la Figura 4 se muestran los resultados obtenidos para cada una de las modificaciones del suelo, así como el suelo natural.

Figura 4. Localización en la Carta de plasticidad del suelo modificado (QA) y (QB).

4 CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

Al evaluar las propiedades índice del suelo, se aprecia que se trata de un suelo expansivo del tipo CH (Arcilla de Alta Compresibilidad), de acuerdo a la clasificación del SUCS.

Como se pudo observar en el perfil de humedades, debido a que se extrajo la muestra en época de lluvia, en la parte superior se tiene mayor presencia de agua, por lo que en el lugar no eran visibles las grietas que presenta el suelo.

Con la modificación realizada con la queratina (QA) para el 1% y todos los porcentajes para la queratina (QB) se presenta una variación en la clasificación del suelo pasando de ser CH a MH (Limo de Alta Compresibilidad) esto puede deberse a una nueva condición de equilibrio en la cual se estén formando puentes de hidrógeno entre las partículas del suelo y queratina, lo que permite que las fuerzas de Van der Waals sean menores que las que se tenían inicialmente en el suelo y que éste retenga menos agua. También es probable que se deba a una disminución de la superficie específica, por lo tanto, se presentaría igualmente una menor cantidad de agua retenida. Con la disminución de la superficie específica se produce una reducción en el potencial de expansión. Cualquiera que sea el fenómeno que se está presentando solo podrá ser corroborado hasta realizar más pruebas.

Al realizar las pruebas en el laboratorio, se observó que para los suelos modificados con queratina, la trabajabilidad es adecuada para los porcentajes de 0.25, 0.5 y 1%, para el 3% hay un poco de dificultad para que se pueda agregar y trabajar adecuadamente lo que ocasionaría que de ser factible el uso de la queratina para reducir el potencial de expansión, se encuentre con el mismo problema al agregarlo al suelo.

La densidad de sólidos se ve disminuida con la incorporación de la queratina, esto es debido a que el peso y por lo tanto la densidad de la pluma es menor que la del suelo.

En cuanto a la densidad de sólidos, se tuvo acumulación de la queratina en la parte superior del matraz, esto debido a que no son hidrófilas, lo cual no permite su combinación con el agua y actúa además como la parte orgánica de un suelo, al ser de una menor densidad que el agua y el suelo se va a la parte superior, las variaciones en la densidad fueron relativamente pequeñas (de no más de un 8%). Con esta disminución de la densidad de sólidos se pueden tener algunos problemas al realizar la estabilización, entre ellas se encuentran los vientos del lugar en donde se desee realizarla, ya que al tener que agregarlo a la intemperie se puede presentar pérdida de la queratina debido a la volatilización de ésta antes de hacer la homogenización, además de tener que realizar un mayor mezclado para que no se presente

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segregación de la misma. Durante las pruebas, el porcentaje que presentó este problema es el 3%.

5 AGRADECIMIENTOS

Se le agradece ampliamente al personal del Laboratorio de Materiales y Mecánica de Suelos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ), por el apoyo brindado para desarrollar en sus instalaciones esta investigación, así como al Instituto Tecnológico de Querétaro (ITQ).

6 REFERENCIAS

AASHTO T88 (2010) “Standard Method of Test for Particle Size Analysis of Soils”

AASHTO T89 (2010) “Standard Method of Test for Determining the Liquid Limit of Soils

AASHTO T100 (2006) “Standard Method of Test for Specific Gravity of Soils”

AASHTO T90 (2000) “Standard Method of Test for Determining the Plastic Limit and Plasticity Index of Soils”

ASTM D4318-10 (2010) “Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils” Soil and Rock Building, Book of Standards, Estados Unidos de América, 04.08.

ASTM D422-63 (2007) “Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils” Soil and Rock Building, Book of Standards, Estados Unidos de América, 04.08.

ASTM D854-02 (2002) “Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer”, Soil and Rock Building, Book of Standards, Estados Unidos de América, 04.08.

ASTM D423-66 (1972) “Method of Test for Liquid Limit of Soils (Withdrawn 1982)” Soil and Rock Building, Book of Standards, Estados Unidos de América, 04.08.

Chen F.H. (1975) “Foundation on Expansive Soils” Developments in Geotechnical Engineering, Elsevier Science Publishers, Denver, Colorado, Estados Unidos de América, Vol. 12.

Comisión Federal de Electricidad (CFE) (1979) “Manual de Diseño de Obras Civiles”, Geotecnia B.2.1. México.

Jones, D.E. JR. Y Holtz, W.G. (1973) “Expansive Soils – The Hidden Disaster”. Civil Engineering, ASCE, Vol. 43.(8) pp 49-51. Citado en Hurtado M.D., Zepeda G.J.A. y Flores F.M. (2004) “Naturaleza, Propiedades Índice y Distribución de los Suelos Expansivos”, Mécanica de Suelos No Saturados, Editado por José Alfredo Zepeda Garrido, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, A.C. y Universidad Autónoma de Querétaro, Capitulo 2, pp 19-43, México.

Juárez E., y Rico A. (1999) “Mecánica de Suelos Tomo 1”, Editorial Limusa. México.

Martínez-Sanchez K.I. (2007) “Síntesis de Polímeros Biodegradables a través de la Inserción de Macromoleculas Orgánicas”, Tesis de Maestría en Ingeniería Química, Instituto Tecnológico de Aguascalientes, Aguascalientes, México.

Norma Mexicana NMX-C-430-ONNCCE-2002 (2002) “Sondeos de Pozo a Cielo Abierto”, México.

Pérez R. M.L., y Moncayo F.L. (1996) “Factibilidad de Uso de Silicato como Agente Estabilizador de Suelos Expansivos”, XVIII Reunión Nacional de Mecánica de Suelos, Morelia, Mich., México, Vol. 1.

Petric-Gray J., Galán-Marín C., Rivera-Gómez C., Rodríguez-García R. and Osta-Fort P. (2009) “On Soil Stabilization with Alginate and Wool for Construction Industry”, Proceedings of the 11th International Conference on Non-conventional Materials and Technologies (NOCMAT 2009), Bath, UK.

SAHOP (1974) “Instructivo para Efectuar Pruebas en Suelos”, México, Vol. 1.

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