Revista Tendencias en Docenciae Investigación en Química

2018

Universidad Autónoma Metropolitana, Ciudad de México43

Año 4Número 4

Variación de los límites de consistencia de una arcilla blanda nanomodificada

Hernández Gómez Nidia Yazmín1*, Ramírez Calderón Omar Gabriel2, Almanza Hernández Fernando 2

1 Instituto Politécnico Nacional, SEPI ESIA UZ. Av. Miguel Bernard s/n, Gustavo A. Madero, Ciudad de México. C.P. 07738.2 Universidad Autónoma Metropolitana, Departamento de Ciencias Básicas. Av. San Pablo No. 180, Azcapotzalco, Ciudad de México. C.P. 02200. México.

* Autor para correspondencia: yazmin.hdzgmz@gmail.com

Recibido: 18/junio/2018

Aceptado: 19/septiembre/2018

Palabras clave:Límites de consistencia, nanosílice, arcilla.

Keywords:Consistency limits, nanosilice, clay.

RESUMEN

En el presente trabajo de investigación se analizó la influencia, variación y estabilización de una arcilla de consistencia blanda de tipo limo de alta plasticidad (MH), utilizando nano-dióxido de silicio (nano SiO2), en un suelo altamente compresible. Las muestras se obtuvieron de un sitio en el ex Lago de Texcoco en la Ciudad de México. El resultado fue un suelo clasificado como una arcilla de alta plasticidad (CH), que se validaron a través de un conjunto de ensayos. Los resultados de un conjunto de ensayos para determinar los límites líquidos y plásticos, por medio de la Copa de Casagrande, se estudiaron para demostrar que la adición de nano-dióxido de silicio (nano SiO2) modifica las propiedades del suelo ensayado en cuanto a sus límites de consistencia; conjuntamente se compararon las micrografías y los espectros EDS del suelo con diferentes contenidos de nanosustancia.

ABSTRACT

In this research the influence, variation and stabilizing a clay loam type soft consistency of high plasticity (MH) using nano-silicon dioxide (SiO2 nano) in a highly compressible soil was analyzed. The samples were obtained from a site in the former Lake of Texcoco in Mexico City. The result was a soil classified as a clay of high plasticity (CH), which was validated through a set of tests. The results of a set of tests to determine the liquid and plastic limits, by means of the Copa de Casagrande, were studied to demonstrate that the addition of silicon nano-dioxide (nano SiO2) modifies the properties of the soil tested in terms of its consistency limits; The micrographs and EDS spectra of the soil were compared together with different nanosubstance contents.

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Introducción

El ensayo del límite líquido (LL) es una medida de la resistencia al corte de un suelo blando cuya humedad se acerca al estado líquido (Rabat, 2016), fue definido por Atterberg (1911) como el contenido de humedad al que un suelo pasa del estado plástico al líquido, Atterberg determinó que dicho contenido de humedad coincidía con el que tenía una muestra de suelo colocada en una cápsula, cuchara o copa (la copa de Casagrande, véase figura 1) de 10 o 12 cm de diámetro cuando una ranura hecha en la misma se cerraba al golpear la cápsula con la manivela 25 veces (Norma BS 1377-2:1990).

Figura 1. Copa de Casagrande utilizada para determinar el límite líquido (LL) de un suelo de grano fino.

Los ensayos de límite plástico (LP) se realizan con la fracción de suelo que pasa por el tamiz número 40, la frontera entre los estados semisólido y plástico se llama límite plástico (LP) y se obtiene midiendo el contenido de humedad del suelo cuando comienzan a agrietarse pequeños cilindros de suelo de 3 mm de diámetro (Véase figura 2); se define como el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la muestra secada al horno, para el que los suelos cohesivos pasan de un estado semisólido a un estado plástico, representando el punto en el cuál el suelo empieza a perder su cohesión por falta de humedad (Rabat, 2016).

Las arcillas blandas representan una gran amenaza para la construcción de edificios debido a su poca resistencia al corte y a sus altas características de hinchamiento, para controlar este comportamiento, los suelos cohesivos deben tratarse cuidadosamente con productos químicos o cualquier otro material disponible que pueda alterar sucomportamiento de ingeniería (Hareesh 2016).

La estabilización del suelo es el proceso de mejorar las propiedades de ingeniería del suelo y, por lo tanto, hacerlo más estable y es una de las técnicas más antiguas de mejora del suelo. Como un avance reciente, las nanopartículas se utilizan como un aditivo para el suelo y las investigaciones continúan para encontrar sus efectos en los suelos de baja capacidad de carga.

Figura 2. Remoldeo del suelo que pasa la malla No. 40 para determinar el límite plástico (LP).

La nanotecnología se puede aplicar en la Ingeniería Geotécnica mediante el estudio de la estructura del suelo en escala manométrica para obtener una mejor comprensión de la naturaleza del suelo (Hareesh 2016).

En la nanotecnología se manipula la materia a nivel atómico, molecular o macromolecular para crear y controlar objetos en la escala nanométrica, con el objetivo de fabricar nuevos materiales, dispositivos y sistemas que tienen nuevas propiedades y funciones debido a su pequeño tamaño (Briones et al, 2009).

En algunas ocasiones la escala nanoscópica es marcada como el punto en donde cambian las propiedades de un material; por encima de este punto las propiedades de un material son causadas por efectos de la masa o del “volumen”, es decir por los átomos presentes, la forma en que están unidos y en qué proporciones. Por debajo de este punto a pesar de que los átomos presentes y sus orientaciones relativas siguen siendo importantes, los efectos del área de superficie (también denominados como efectos cuánticos) se hacen más evidentes.

Estos efectos dependen de la geometría del material (qué tan grueso es, qué tan amplio es, etc.) que, en

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dimensiones bajas, puede tener un efecto drástico en los estados cuantificados y, por lo tanto, en las propiedades del material (Filipponi y Sutherland, 2007).

Ali Akbar Firooze y Mohd. R. Taha, (2014), realizaron una investigación sobre la “Evaluación de la Nano-Zeolita en propiedades del suelo” y estudiaron el rendimiento del suelo arcilloso mezclado con Nano Zeolita de diferentes porcentajes (0.0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0, 2.0 y 3.0%). Las reducciones en los índices de plasticidad son indicadores del mejoramiento del suelo. El límite líquido (LL) aumentó con la diferencia del porcentaje de Nano-zeolita mientras que la curva del límite plástico (LP)aumentó 0.5% por ciento de Nano-zeolita después del0.5% el comportamiento cambió para aumentar. Por lotanto, la adición de partículas finas al suelo, como nano-materiales, incluso a bajas dosis, puede mejorar suspropiedades (Hareesh y Vinothkumar, 2016).

En otro estudio, realizado por Mohammad A. P., y Sajad J. (2015), se investigaron los efectos de agregar diferentes porcentajes nano-sílice (SiO2) y cal (CaO) en arcilla, los resultados muestran que la adición ligera de nano-sílice a la arcilla mezclada con cal da como resultado una mejora significativa en las propiedades plásticas, la compactación, la resistencia y la hinchazón del suelo modificado. Los efectos del tiempo de curado también se evaluaron en este estudio y los resultados mostraron que la fuerza del suelo aumenta rápidamente en un tiempo más corto.

Los resultados mostraron que después de agregar nano-dióxido de silicio (nano SiO2) al suelo húmedo mezclado con cal, los aniones de hidróxido (OH1-) de la cal aumentan el pH tanto como mayor sea la cantidad de cal que se adicionó. Cuando el pH del suelo es de aproximadamente 12.4, el silicio disuelto y los aniones producen silicato Si(OH)4.

Estas hidroxisales se combinan con iones de Ca ++ para formar geles cementosos llamados silicato de calcio hidratado de formula química CaO·SiO2·H2O (en este estudio abreviado como CSH). La penetración de estos geles cementosos a través de huecos y poros en la textura del suelo causa que la fuerza del suelo aumente y que la hinchazón del suelo se reduzca (Yong y Ouhadi, 2007); (Bell, 1996).

Es importante mencionar que pocas investigaciones se han llevado a cabo en y, por lo tanto, este estudio tiene como objetivos analizar y evaluar la influencia de una nanosustancia comercial en un suelo arcilloso en las pruebas de límites de consistencia, analizar microestructura y composición química que presentan

los suelos con diferentes concentraciones de dicha nanosustancia; para fines prácticos se utiliza en esta investigación nano-dióxido de silicio (nano SiO2), donado por la empresa BASF de México.

Metodología

Materiales

El suelo utilizado para este estudio se caracterizó como un limo arcilloso de alta plasticidad (MH) de acuerdo al sistema unificado de clasificación del suelo (SUCS) que fue donado por el Instituto de Ingeniería de la UNAM y fue tomado a una profundidad de 25.5- 26.1 m del Ex lago de Texcoco, Nuevo Aeropuerto de la Ciudad de México véase figura 3.

Figura 3. Límite líquido (LL) del suelo en estudio y ubicación en la carta de plasticidad.

El límite líquido (LL) se estimó en 232% utilizando la Copa de Casagrande, en la que se busca que la ranura hecha en el suelo se cierre a los 25 golpes, con una altura de caída de 1cm (véase figura 4).

Figura 4. Suelo colocado en la Copa de Casagrande para determinar su límite líquido (LL).

El límite plástico (LP) se estimó en 86%, véase figura 5; el contenido de agua se calculó en 185%, la densidad

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de sólidos fue de 3.1 gr/cm3 y el peso específico de la muestra fue de 1.3 Ton/m3.

A) B)

Figura 5. Determinación experimental de límites plásticos. A) Cilindro de suelo de 3mm. B) Muestras secas listas para pesar.

La nanosustancia utilizada en este estudio es una lechada hidrofílica libre de solventes, de baja viscosidad para inyección de rocas y consolidación de estratos de arena y limo proporcionada por la empresa BASF México basado en una suspensión nanométrica de sílice coloidal.

Esta es usada cuando se necesita proporcionar estabilización de la pendiente en la roca, como componente de las técnicas de mejora del suelo, en la lechada previa a la inyección para proyectos de tunelización, en la impermeabilización de túneles existentes e impermeabilización y estabilización en aplicaciones mineras.

Algunas de sus ventajas se mencionan a continuación: tiene una excelente penetración, bajo costo de manipulación, mejora la seguridad del trabajo, reduce el impacto ambiental y es ambientalmente seguro ya que no contiene disolventes ni componentes tóxicos y no es agresivo, presenta las siguientes características:

Tabla 1. Datos técnicos de nano-dióxido de silicio (nano SiO2)

Característica ValorColor TransparenteViscosidad ~10 cP Densidad* 1.098 kg/LConcentración SiO2 15 ± 1 %pH (20 ºC) 10 ± 1

Preparación de las mezclas

Para la preparación del suelo se decidió que el método más efectivo de mezclado sería el de remoldeo del suelo (véase figura 6), posteriormente se agregó; dado el caso; un roció de nano-dióxido de silicio (nano SiO2), el tiempo de mezclado del suelo fue de 5 minutos que es el tiempo estimado suficiente para lograr una mezcla homogénea, una vez terminado el proceso de mezclado se procedió con el tiempo de curado de 48 horas.

Figura 6. Remoldeo del suelo utilizando espátulas de abanico y de cuchillo.

Las mezclas utilizadas se describen en la siguiente tabla:

Tabla 2. Dosificación de las mezclas.

Mezcla% de Nano-dióxido

de silicio

ml de Nano-dióxido

de silicio L-1 0 0L-2 0.5 0.2L-3 0.7 0.3L-4 1.0 0.4L-5 3.0 1.3

Una vez finalizado el tiempo de curado, se procedió con la etapa de pruebas.

Programa experimental

Fueron ensayadas cinco grupos de muestras para la evaluación de los límites líquido y plástico, la mineralogía y composición química del suelo estudiado con tres contenidos diferentes de Nanosustancia. A cada grupo de muestras se le determinaron los límites líquido y plástico

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y fueron analizadas las muestras en el microscopio electrónico de barrido (MEB) y se determinaron los espectros de energía dispersa (EDS).

Algunas de las características del suelo derivadas del límite líquido son: elevado límite líquido significa alto contenido de arcilla; bajo límite líquido es por un alto contenido de arena, en un suelo típico rico en arcilla el límite líquido varía de 40-60%; no obstante, el límite líquido del suelo puede ser mayor de 100% si más de la mitad de la masa es agua.

El rango de límites líquidos puede variar entre 0 y 1000, el límite plástico puede encontrarse dentro del rango 0 y 100 o más.

Resultados y discusión

Límites

Líquido (LL), plástico (LP) e Índice de plasticidad o de consistencia (Ip=LL-LP), obtenidos en esta investigación se pueden observar en la figura 7.

Figura 7. Variación en los límites de consistencia estabilizados con nano-dióxido de silicio (nano SiO2).

Con ayuda del Microscopio Electrónico de Barrido de la UAM AZCAPOTZALCO, se obtuvieron las siguientes micrografías del suelo en estado natural (veáse figura 8) y nano modificado(veáse figura 9). Puede observarseque las característias del suelo limo arcilloso de altaplasticidad (MH) varían con la adición del nano SiO2 yaque en la figura 9 se aprecia una especie de gel viscosoque podría provocar que el suelo nanomodificado seencuentre más unido y compacto generando una menorrelación de vacíos.

Figura 8 Micrografía tomada con MEB del suelo natural (0% de nano-dióxido de silicio (nano SiO2).

Figura 9. Micrografía del suelo con 3% de nano-dióxido de silicio (nano SiO2).

El Microscopio Electrónico de Barrido puede ser utilizado con el Sistema de Espectrometría de Energía Dispersa (EDS), donde se observa la composición química del suelo, en la figura 10 se puede observar el espectro del suelo natural,mientras que en la figura 12 la del suelo estabilizado con 3% de nano-dióxido de silicio (nano SiO2).

En el espectro EDS del suelo natural (véase figura 11) puede observarse picos de mayor intensidad de Oxigeno, Silicio y Calcio, mientras que en el espectro EDS del suelo nano modificado (véase figura 13) se encuentra Oxígeno, Silicio, Magnesio y Aluminio.

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La tabla 3 muestra la composición química del suelo natural con porcentajes altos de Oxígeno, Silicio y Fierro, mientras tanto, en la composición química del suelo nano modificado, véase tabla 4, se encuentran los mismos elementos, pero en menor porcentaje.

Figura 10. Microscopia EDS del suelo MH (limo arcilloso de alta plasticidad) con W=85% natural, mapeo del suelo.

Figura 11. Espectro EDS de la muestra L-1 con picos mayor intensidad de oxígeno, silicio y calcio.

Tabla 3. Composición química del suelo natural.

Elemento % peso

O K 54.28

Na K 0.76

Mg K 2.14

Al K 3.79

Si K 28.07

S K 0.24

K K 1.76

Ca K 2.86

Fe K 6.10

Total 100.00

Figura 12. Mapeo del suelo, microscopia EDS del suelo MH (limo arcilloso de alta plasticidad) con W=85% y 3% de nano SiO2.

Figura 13. Espectro EDS de las muestras L-5 del suelo estabilizado con nano-dióxido de silicio (nano SiO2) con picos mayor intensidad de oxígeno, silicio, magnesio y aluminio.

Tabla 4. composición química del suelo nano modificado.

Elemento % en peso

O K 54.75

Na K 0.79

Mg K 3.90

Al K 3.85

Si K 28.14

K K 1.16

Ca K 2.54

Fe K 4.86

Total 100.00

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Conclusiones

En este estudio se investigaron los efectos del nano SiO2 en suelo limo arcilloso de alta plasticidad, así como en su microestructura y composición química, basándose en los resultados obtenidos a partir de una serie de ensayos se obtienen las siguientes conclusiones:

1. Se observa que los límites líquido y plástico aumentancon el aumento de la nano-sílice.

2. Con respecto a la microestructura del suelo puedeobservarse con un ligero cambio, puede apreciarseque esta se vuelve más unida con la presencia denanosustancia, es decir las partículas se ven másunidas.

3. En cuanto a la composición química del suelonanomodificado puede observarse que hay unavariación considerable de los porcentajes en peso deelementos como magnesio, fiero y calcio.

4. Sería conveniente seguir con el estudio conporcentajes diferentes de nano sílice y con otra nanosutancia a probar, por ejemplo nano alúmina.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Laboratorio de Geotecnia, a la División de Ciencias Básicas e Ingeniería de la UAM Azcapotzalco, al Instituto de Ingeniería y a la empresa BASF por las facilidades proporcionadas para la realización de esta investigación.

Referencias

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Bell, F.G. (1996). “Lime Stabilization of Clay Minerals and Soil.” Journal of Engineering Geology, Vol .42, pp 223-237.

Briones C., Casero E., Martín J. A., Serena P. A. (2009). Nano ciencia y nanotecnología, entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología, pp 20-21.

Filipponi, L., & Sutherland, D. (2007). Nanotechnology a brief introduction. Denmark: University of Aarhus, pp3-11.

Hareesh P. (2016). Assessment of nano materials on Geotechnical properties of Clayey soils. International Conference on Engineering Innovations and Solutions, pp 67-71.

Hareesh, P., & Vinothkumar, R. (2016). Assessment of nano materials on Geotechnical properties of Clayey soils. International Conference on Engineering Innovations and Solutions, pp. 66-71.

Mohammad A. P., y Sajad J. (2015) “Effect of nano silica on swelling, compaction and strength properties of clayey soil stabilized with lime”, Journal of Applied Environmental and Biological Sciences, pp.538-548.

Norma BS 1377-2:1990. Methods of test for Soils for civil engineering purposes Part 2: Classification Tests, (1990), pp. 4-7.

Rabat A. B. (2016). Aplicabilidad del penetrómetro cónico en la determinación del límite líquido (LL) en suelos de baja y media plasticidad. Tesis de maestría. Universidad de Alicante, España, pp 53-56.

Yong R. N. y Ouhadi V. R. (2007). Experimental study on instability of bases on natural and lime/cement stabilized clayey soils.” Journal of Applied clay science, Vol.35, pp 238-149.