Desecación en el Laboratorio

Cuando se estudia el fenómeno en el laboratorio, las condiciones en las que se produce el seca- do son controladas. En la Figura 1.7 se ilustra un ejemplo de ensayo de secado en cámara am- biental, realizado para esta Tesis Doctoral.

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Figura 1.7 - Cámara Ambiental en el laboratorio del Departamento de Ingeniería del Terreno, UPC.

En este caso se mantienen constantes la temperatura y la humedad del ambiente de la cámara, con lo cual la desecación se produce exclusivamente debido a que la muestra de suelo evolucio- na hasta alcanzar las condiciones de humedad que impone el ambiente controlado.

Las Figura 1.8a y b muestran imágenes de ensayos hechos en el laboratorio con muestras circu- lares de 80 y 40 cm de diámetro × 10 cm de altura, que presentan agrietamiento generalizado en un caso y una grieta central en el otro. En la Figura 1.8c, se presenta el resultado de un ensayo sobre muestra rectangular de 59.4 cm de largo × 42 cm de ancho × 2 cm de altura en proceso de agrietamiento. En la Figura 1.8d se presenta un ensayo en bandeja circular de 40 cm de diá-

metro × 10 cm sometida a un proceso de secado rápido. En la Figura 1.9 se presenta una bande-

ja rectangular con una superficie de 0.25 m2 _{y un espesor de tan solo 1 cm, subdividida con vari-}

llas de PVC. En la Figura 1.10 se observa el efecto de arqueo que suele ser característico en algunos tipos de suelo sometidos a desecación (Lakshmikantha, 2009). El caso particular de la arcilla de Barcelona que se presenta en dicha figura no presenta un arqueo extremo, pero si lo suficientemente acusado como para apreciarlo a simple vista.

Capítulo 1

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(a) (b)

(c) (d)

Figura 1.8 - Ejemplos de suelos sometidos a desecación en bandejas circulares y rectangulares en el laboratorio: a) Espécimen de 80 cm de diámetro × 10 cm de altura; b) Espécimen de 40 cm de diámetro

× 10 cm de altura; c) Espécimen de 59.4 cm largo × 42 cm ancho × 2 cm de altura; d) Espécimen de

40 cm de diámetro × 10 cm de altura

1.1.2.1. Preparación del suelo

El suelo utilizado en los ensayos es la arcilla roja de Barcelona que se encuentra en el recinto del Campus Nord de la UPC. El primer trabajo a realizar es la trituración y tamizado del suelo hasta obtener un polvo relativamente fino (tamaño máximo 2 mm). Con este proceso se intenta eliminar toda partícula gruesa que pueda interferir y/o producir agrietamientos por concentra- ción de tensiones o irregularidades en la masa de suelo en desecación.

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Figura 1.9 - Patrón final de grietas en bandeja de suelo A2-10. (Dimensiones: 59.4 cm x 42 cm; super-

ficie: 0.25 m2_{; espesor de la muestra: 1 cm; bandeja con subdivisiones de PVC).}

Figura 1.10 - Arqueo obtenido en muestras de arcilla de Barcelona desecadas en el laboratorio (Lakshmikantha, 2009)

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(a) (b)

Figura 1.11 – Ensayo cíclico: Secado, humedecimiento, inundación, secado y humedecimiento.

a) Agua en la superficie durante las primeras horas de ensayo de desecación; b) Grietas en contacto con la bandeja y grietas en la masa de suelo.

Una vez que se tiene el polvo de arcilla finamente molido se procede a la mezcla con agua y su amasado hasta obtener un lodo blando y lo más homogéneo posible, evitando la presencia de grumos que puedan ser fuentes de grietas. A pesar de los cuidados y de utilizar las manos para amasar la mezcla de suelo y agua pueden quedar pequeños grumos cuya influencia en los resul- tados es imposible de predecir y/o cuantificar.

En el proceso de triturado se rompen parte de las partículas de suelo natural y durante el proceso de amasado con agua introducimos energía mecánica al sistema que hace que el suelo en un primer momento tenga una capacidad de retención de agua mayor que en situación de reposo. Esto queda en evidencia cuando una vez volcado el lodo semifluido en la bandeja de deseca- ción, el agua, en las primeras horas, asciende a la superficie quedando una delgada capa de lí- quido visible en las fotos del ensayo en la Figura 1.11a.

1.1.2.2. Particularidades en el Laboratorio

El mecanismo de agrietamiento por desecación consiste en varios procesos que se desarrollan de manera simultánea. En primer lugar, al iniciarse el ensayo con la imposición de unas condicio- nes ambientales que propicien la desecación, se produce la evaporación del agua en exceso que posee la muestra. Esta evaporación continúa hasta el último día de ensayo con algunas diferen-

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cias a lo largo del proceso. En una primera etapa, la muestra prácticamente no se deforma y permanece saturada. En una segunda etapa se produce retracción (disminución de volumen) pero el suelo permanece saturado, es decir, todo el volumen de agua perdido se corresponde exacta- mente con la disminución del volumen de poros. En una tercera etapa la retracción viene acom- pañada de una desaturación de los poros del suelo.

En todo momento el suelo está contenido en una bandeja que también interactúa con la masa de suelo. En los contactos entre el suelo y la bandeja se desarrollan fuerzas de adherencia que im- piden en los instantes iniciales de la retracción que la muestra reduzca su volumen. Cuando la adherencia es vencida por las fuerzas debidas a la succión, la masa de suelo se desprende de los bordes generando casi siempre una característica configuración de agrietamiento a lo largo del contacto entre el suelo y la bandeja (Figura 1.8b y d). Las fuerzas de adherencia pueden ser lo suficientemente grandes como para que esta grieta perimetral se produzca en la masa de suelo y no en el contacto preciso entre bandeja y suelo (Figura 1.8a y b).

El proceso de desecación continúa con el agrietamiento visible en superficie y en su caso con agrietamiento en el interior de la muestra o por debajo de ella, hasta que se decide detener el ensayo o bien iniciar un proceso de humedecimiento.

En el interior de la masa de suelo ocurren también procesos complejos. Mientras la muestra está saturada, los poros sólo contienen agua en estado líquido. A partir de la desaturación en los po- ros hay aire y agua. El aire es una mezcla de aire seco y aire con vapor de agua puesto que en la fase gaseosa se producen cambios de estado. Es evidente por lo tanto, que el fenómeno del agrietamiento de suelos por desecación, es un problema acoplado hidro-mecánico (o termo-

hidro-mecánico-químico, si se tuvieran en cuenta las componentes térmica y química).