Trabajo Arcillas Expansivas

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Introducción ¡¡esto te sirve como ayuda rone!! Una problemática relevante en la construcción es la presencia de suelos arcillosos expansivos, cuya principal característica es la de producir movimientos como consecuencia de hinchamientos y retracciones del subsuelo sobre el cual apoya la cimentación, debidos a cambios de humedad y que provocan en la mayoría de los casos daños estructurales importantes. Arcilla. Son grupos minerales definidos, como caolinita, illita y montmorillonita, donde participan estructuras octaédricas y tetraédricas. La arcilla, como el humus, posee propiedades coloidales. Las arcillas, en el sentido mineralógico, son cristales microscópicos cuyos átomos están dispuestos en planos. Al interior de una trama de átomos de oxígeno, cuyas esferas iónicas son voluminosas, se encuentran cationes de sílice (Si) y aluminio (Al). Si el volumen lo permite, cationes de hierro (Fe), magnesio (Mg), calcio (Ca) o potasio (K) remplazan al sílice (Si) y al aluminio (Al). Las arcillas tienen una capacidad de intercambio iónico grande. Otros iones diferentes a los enunciados pueden completar las capas y unirlas, y también, las cargas eléctricas libres pueden ser equilibradas por iones intercambiables. 1.1. Caolinitas: Principal grupo de arcillas que presenta baja capacidad de intercambio, 10 – 12 me (miliequivalentes) cada 100 gr, y con dos capas de cationes, las llamadas arcillas 1:1 (capa tetraédrica más capa octaédrica de alúmina hidratada). El arreglo, que serepite indefinidamente da una carga eléctrica neutra del mineral caolinita, cuya estructura

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 Introducción ¡¡esto te sirve como ayuda rone!!

Una problemática relevante en la construcción es la presencia de suelos arcillosos expansivos, cuya principal característica es la de producir movimientos como consecuencia de hinchamientos y retracciones del subsuelo sobre el cual apoya la cimentación, debidos a cambios de humedad y que provocan en la mayoría de los casos daños estructurales importantes.

Arcilla.Son grupos minerales definidos, como caolinita, illita y montmorillonita, donde participan estructuras octaédricas y tetraédricas. La arcilla, como el humus, posee propiedades coloidales. Las arcillas, en el sentido mineralógico, son cristales microscópicos cuyos átomos están dispuestos en planos.Al interior de una trama de átomos de oxígeno, cuyas esferas iónicas son voluminosas, se encuentran cationes de sílice (Si) y aluminio (Al). Si el volumen lo permite, cationes de hierro (Fe), magnesio (Mg), calcio (Ca) o potasio (K) remplazan al sílice (Si) y al aluminio (Al).Las arcillas tienen una capacidad de intercambio iónico grande. Otros iones diferentes a los enunciados pueden completar las capas y unirlas, y también, las cargas eléctricas libres pueden ser equilibradas por iones intercambiables.

1.1. Caolinitas: Principal grupo de arcillas que presenta baja capacidad de intercambio, 10 – 12 me (miliequivalentes) cada 100 gr, y con dos capas de cationes, las llamadas arcillas 1:1 (capa tetraédrica más capa octaédrica de alúmina hidratada). El arreglo, que serepite indefinidamente da una carga eléctrica neutra del mineral caolinita, cuya estructura no es expansiva, por no admitir agua en sus retículos. Estas arcillas son moderadamente plásticas, de mayor permeabilidad y mayor fricción interna. Del grupo son: HALOISITA, CAOLINITA (por definición), ENDELLITA, DICKITA, ALOFANO, NACRITA Y ANAUXITA. La haloisita, aunque tiene la misma fórmula del caolín, contiene moléculas extra dentro de su estructura. En la figura = Gibsita = SiO4 (En la “Carta de Plasticidad” las caolinitas están bajo la línea A = limos).

1.2. Illita: Es una arcilla 2:1, cuya capacidad de intercambio es de unos 40 me/100gr, lo que las hace algo expansivas. Las láminas de alúmina están entre dos láminas de SiO4, y estas se ligan por iones de potasio, que le dan cierta estabilidad al conjunto. La actividad de la illita es 0,9, de la caolinita es de 0,38. El coeficiente de fricción interno y la permeabilidad son menores que en la caolinita y mayores que en la montmorillonita.

1.3. Montmorillonita: Arcilla 2:1 cuya capacidad de intercambio es de unos 120 me/100gr, lo que las hace muy expansivas. Entre las dos láminas de sílice se encuentra una brucita o una gibsita, y este arreglo serepite indefinidamente. La unión entre minerales individuales es débil,por lo cual el agua se inserta, introduciendo n moléculas para producir el hinchamiento del suelo. Además de ser expansiva, la montmorillonita es muy plástica y se contrae al secarse, mejorando su resistencia y haciéndose impermeable. La actividad de la montmorillonita es de 7,2.Entre las montmorillonitas tenemos: La MONTMORILLONITA (por definición), HECTORITA, SAPONITA, BEIDELLITA, SAUCONITA, TALCO, PORFILITA y NONTRONITA.Bentonitas: Suelos montmorilloníticos altamente plásticos y altamente expansivos, de grano tan fino que al tacto es jabonoso (sí es húmedo). Se utilizan para cellar fugas en depósitos y canales.Vermiculita, clorita, sericita, etc., son otros minerales arcillosos no clasificados en los anteriores tres grupos. 1.5.4. Actividad: este parámetro lo, ha expresado Skempton (1953) como la pendiente de la línea que relaciona el Indice Plástico de un suelo con su contenido de minerales de tamaño arcilloso, como se verá en el numeral 4.1 y en la f ٕrmula 4.3. Una actividad normal es de 0,75 a 1,25. Más de 1,25 es alta y menos de 0,75 es inactiva. Actividad supone cohesión, expansividad y plasticidad.

Cimentaciones Sobre Arcillas Expansivas

CIMENTACIONES SOBRE ARCILLAS EXPANSIVAS: Se llaman arcillas expansivas aquellas que presentan cambio de volumen con los cambios de humedad, cuando la arcilla se humedece sufre fuerte expansión que produce daños considerables en paredes y pisos sobre todo en climas de largos o intermitentes períodos de humedad, debido a los cambios de volumen con los cambios de humedad. Pequeñas zapatas soportando livianas cargas son más fácilmente levantadas o movidas por la arcilla expansiva, lo mismo sucede en las vigas de cimentación. Cuando la arcilla se encuentra a considerable distancia bajo la superficie no se expande y contrae tanto, como cuando se encuentra cerca de la superficie, por lo tanto, los daños por levantamiento o movimientos de zapatas o muros pueden ser reducidos colocando éstas a suficiente distancia bajo la superficie.

Las arcillas expansivas se caracterizan a menudo por su alto límite líquido (LL) y un alto índice de plasticidad (IP). El límite líquido (LL) del suelo se define como el contenido de humedad expresado en porciento con respecto al peso seco de la muestra, con el cual el suelo cambia del estado líquido al plástico.

Baja plasticidad LL < 35%Plasticidad intermedia LL = 35- 50%Alta plasticidad LL = 50 – 70%Plasticidad muy alta LL = 70 – 90%Plasticidad extremadamente alta LL > 90%

La plasticidad es la propiedad que presentan los suelos en poder deformarse, hasta cierto límite sin romperse. Según Atterberg, cuando un suelo tiene un índice plástico (IP) igual a cero, el suelo es no plástico, cuando el índice plástico es menor de 7, el suelo presenta baja plasticidad, cuando el índice plástico esta comprendido entre 7 y 17 se dice que el suelo es medianamente plástico y cuando el suelo presenta un índice plástico mayor que 17 se dice que es altamente plástico. Cambio de volumen en el suelo: Los suelos arcillosos, especialmente los muy plásticos, se retraen mucho cuando se secan y se expanden cuando se humedecen.

Para iniciar, se presentó a las arcillas como una familia de minerales, conocidas como filosilicatos, que presentan tamaños muy pequeños cercanos a las 2 micras de milímetros, muy estables químicamente y con una carga eléctrica negativa neta, así mismo se hizo saber que ocupan el 25% aproximadamente de la superficie de los depósitos sedimentarios.

Efectivamente existen actualmente diversos tratamientos para combatir los efectos perjudiciales de las arcillas expansivas. Estos tratamientos del terreno, mejor conocidos como estabilización de suelos, se basan en modificar las características indeseables que muestra un cierto tipo de suelo, para el uso específico que pretendemos darle. No debe perderse de vista que la presencia de una arcilla expansiva, como en su caso, puede ser problemática tanto por la probable baja capacidad de carga que presente, como por la amenaza de provocar fuertes movimientos diferenciales a la estructura que pretende construir. Sin embargo no debe perderse de vista que para que una arcilla expansiva nos cree problemas, es necesaria la presencia de agua, y por lo tanto se vuelve de importancia primordial conocer y tomar en cuenta todo lo relacionado con dicho elemento.

Los minerales de arcilla más comunes son:

La Caolinita (Kolinita)

La Ilita (Illita)

La Montmorrillonita (Montmorilonita)

Aditivos Para Disminuir Las Arcillas Expansivas:

Se utilizaron tres aditivos (cal, cenizas volantes y aceite sulfonado) para disminuir las propiedades de una arcilla altamente expansiva (bentonita), con el fin de determinar las ventajas técnicas de cada alternativa bajo las mismas condiciones y ensayo. Para tal fin la bentonita se mezcló con diferentes concentraciones de aditivo y se realizaron ensayos de caracterización física y mecánica que permitieron analizar el comportamiento de cada uno. Se encontró que las cenizas volantes requieren ser adicionadas en cantidades excesivas para lograr disminución del potencial de expansión a valores admisibles. Con la cal se encontró un valor óptimo del 10% ya que logró una reducción considerable en las propiedades expansivas de la bentonita. Los resultados obtenidos con el aceite sulfonado evidenciaron que la estabilización electroquímica que lleva a cabo, requiere de factores ambientales favorables para desarrollar su efecto.

Arcillas de Expansión

En las figuras 5, 6, 7 y 8 se observa que el potencial de cambio volumétrico de las arcillas disminuye cuando se aumenta la temperatura de las muestras. La mayor disminución ocurre cuando se someten las muestras a una temperatura de 300 °C durante 15 días. A esta temperatura y tiempo de exposición de las muestras, el índice de hinchamiento disminuye 59,04% y 84,79% para las arcillas 1 y 2 respectivamente. Para el caso de la expansión libre y en consolidómetro esta disminución es de 91% para ambos tipos de arcilla. En la figura 8 se observa, luego de remoldear y humedecer las muestras (fase 2 explicada en la sección 2), un comportamiento en el ensayo de expansión libre similar al reportado para el caso del índice de plasticidad. La recuperación de la propiedad de expansión libre es mayor en la arcilla 2. En ambas arcillas, cuando se someten a 300 °C durante 15 días, el efecto de recuperación es casi nulo. Con un día de sometimiento de las arcillas a temperaturas entre 150 a 300 °C no se generan cambios sustanciales en la disminución del potencial de las muestras. Los cambios en las propiedades de expansión de las arcillas se calcularon con ecuaciones similares a 1 y 2.

Naturaleza y comportamiento de las Arcillas expansivas

Las arcillas expansivas, pertenecen a un grupo mineralógico muy amplio de

materiales de naturaleza química silícea denominados silicatos. Dentro de estos, en función de la distribución de los tetraedros se clasifican sistemáticamente dentro de los Filosilicatos o silicatos laminares. Así, a grandes rasgos y en función del tipo de arcilla, entre lámina y lámina, se emplazarán en mayor o menor medida las moléculas de agua que producirán el hinchamiento.

Las arcillas provienen de la alteración físico-química por acción principalmente del agua, de minerales que forman parte de otras rocas preexistentes, en función de que roca se altera y en que grado, se originan una serie de minerales denominados “minerales de la arcilla”.

Los materiales arcillosos que son susceptibles de sufrir hinchamiento o procesos de expansividad, que permiten una entrada muy grande de agua entre las láminas de su estructura, son principalmente los pertenecientes al grupo de las esmectitas.

Cuando el catión interlaminar es el sodio, las esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación o separación de las láminas, teniendo como resultado un alto grado de dispersión y un máximo desarrollo de propiedades coloidales, que dan lugar a propiedades especiales como las de los lodos estabilizadores tixotrópicos o bentonitas. 

Desde el punto de vista geotécnico, los suelos plásticos o arcillosos, son aquellos capaces de deformarse sin agrietarse, ni producir rebote elástico, cambiando su consistencia al variar el contenido de agua. En función de los cambios de contenido de humedad se dan diferentes estados físicos, siendo los límites para cada estado de consistencia los conocidos como límites de Atterberg: límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad, que son el punto de partida para la estimación de la expansividad de un suelo.

El grado de expansividad se puede determinar en función de las propiedades geotécnicas de los suelos. Los ensayos que se deben realizar para determinar su expansividad son:

- Granulometría, permitirá determinar el porcentaje de finos que contiene y clasificarlo en limos o arcillas según los criterios de Casagrande (límites de Atterberg). 

- Límites de Atterberg, para determinar los límites líquido y plástico y el índice de plasticidad.

- Hinchamiento Lambe, obteniéndose el cambio de volumen potencial, pudiendo

ser éste, No Crítico, Marginal, Crítico y Muy Crítico y el índice de hinchamiento.

- Humedad natural 

- Edómetro presión de hinchamiento, colapsabilidad, asientos, etc.

Descripción

El comportamiento de este tipo de suelos frente a los cambios de humedad (Causado con los cambios estaciónales debido a los ciclos de humectación-desecación) da lugar a la variación de su volumen, produciéndose movimientos por los asentamientos diferenciales de la cimentación, lo que puede llevar a la estructura a soportar esfuerzos superiores a los previstos en cálculo y producir patologías no admisibles, que pueden ser:

• Grietas verticales e inclinadas en ambos sentidos: Estos suelos provocan problemas de arrufo y quebranto combinados por empujes horizontales, que se manifiesta en fisuraciones en paramentos de fachadas:

- Por arrufo o cedimiento de la cimentación en la parte central del edificio. 

- Por quebranto o cedimiento de la cimentación en dos extremos al mismo tiempo.

• Fisuración y rotura de elementos estructurales: Fisuración de cortante en nudos de entramado, trabajo en ménsula con grietas horizontales y/o inclinadas, rotura de forjados, vigas, muros de carga con grietas inclinadas y horizontales, etc. El asiento diferencial excesivo da lugar al movimiento de los pilares o grupos de pilares, superándose el límite elástico de algunos elementos estructurales. 

• Rotura de cimentación: Zapatas aisladas y/o corridas: despegue de cimentación, grietas horizontales por empujes y grietas inclinadas por asiento diferencial.

Losas: Grietas de flexión y distorsiones que pueden desembocar en giros y rotura de la misma.

Pilotes: En obras antiguas, rotura de pilastras por cambio del estado de cargas, roturas por flexión, cortante o flexión, empujes sobre vigas riostras y los encepados, hundimientos por retracción del suelo, etc.

Muros de sótano: Grietas por empujes laterales.

• Deformación de pavimentos.

• Rotura de conducciones, enfatizando aún más el problema al producirse la rotura de colectores que suministran agua a la edificación.

Origen

El origen de las patologías por arcillas expansivas, depende directamente de tres factores que pueden interaccionar entre si y que son:

- La naturaleza geológica y geotécnica del suelo.

- El grado de expansividad que se determinara con los diferentes ensayos enunciados.

- Cambios de humedad. 

Prevención y reparación de daños

Prevención

Deberán seguirse una serie de recomendaciones generales tanto en proyecto como en ejecución y de las cuales deberán elegirse la mas favorable en función del caso particular :

1) Profundidad de apoyo. La solución de cimentación propuesta, deberá apoyar a una profundidad suficiente sobre las zonas del sustrato menos expuestas a los cambios de humedad y oscilaciones del nivel freático intentando evitar así las capas activas.

2) Cargas. Las cargas transmitidas por la cimentación al sustrato, deberán compensarse con la tensión máxima admisible del suelo, asientos y la presión de hinchamiento, de modo que esta última nunca supere la tensión de trabajo de la cimentación.

3) Sistema de cimentación. Los pozos, zapatas, pilotes, etc., deberán en todos los casos estar perfectamente arriostradas en dos direcciones, con vigas de atado adecuadamente armadas.

4) Conducciones subterráneas: Tanto en proyecto como en ejecución deberán controlarse, todas las conducciones subterráneas, saneamientos, canalizaciones y

tuberías, para evitar roturas o fugas de agua que alteren el estado de humedad del suelo y se puedan producir movimientos del sustrato.

5) Urbanización exterior. Aceras amplias y pavimentaciones extensas impermeables debidamente armadas para evitar roturas; dispuestas de forma perimetral, con pendiente hacia fuera y cunetas en el borde exterior.

6) Drenaje. Sistemas de drenaje perimetral efectivos, con tubos profundos y sistemas que eviten la colmatación de los mismos (geotextiles, etc) y permitan la correcta evacuación de las aguas superficiales.

7) En la ejecución. Deberá evitarse la exposición prolongada del sustrato de apoyo a la acción de la naturaleza, excavándose y hormigonándose en el menor tiempo posible.

Reparación

Generalmente las reparaciones a llevar a cabo, son complejas y de elevado coste, siendo estrictamente necesaria la obtención de parámetros geotécnicos específicos para que el cálculo del recalce o refuerzo esté a la altura de las circunstancias y la patología no progrese. Los principales métodos de reparación son:

- Recalces en cimentación, mediante bataches o micropilotaje.

- Zunchados horizontales y refuerzos en la estructura, tales como zócalos armados y atados a la cimentación rodeando el edificio, vigas de atado a nivel de cubierta y forjados intermedios, rigidización de marcos de puertas y ventanas, empleo de contrafuertes, etc.

Esquema: formas típicas de fisuraciones en viviendas unifamiliares con cimentaciones superficiales sobre suelo arcilloso en periodo de sequía. Perfiles hídricos de suelos arcillosos. Movimientos asociados. Contracción. Hinchamiento. En periodo normal. En periodo de sequía. W = Contenido en agua del suelo.

Cuando los suelos arcillosos recuperan el agua, su volumen aumenta: la cimentación se levanta.

Aliven

CONCLUSIÓN Igual q esta conclusión???

Es esencial para no alterar las condiciones de trabajo previstas, la realización de un estudio geotécnico completo previo a la realización del proyecto donde se determinen las características geológicas y geotécnicas del terreno. 

La cimentación sobre arcillas expansivas es posible siempre y cuando se cuantifique con exactitud el grado de expansividad y se tomen las medidas adecuadas a cada situación, siempre por supuesto del lado de la seguridad. 

Para evitar cambios de humedad es estrictamente necesario tomar las precauciones necesarias durante la ejecución, así como verificar un saneamiento estanco y una red de drenaje que impida la llegada de agua a la cota de apoyo.

Bibliografía

http://katiuskamedranodiaz.blogspot.com

http://suelosii.blogspot.com

dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=2293118

www.buenastareas.com