Determinación de la superficie específica en suelos caoliníticos y bentoníticos mediante la técnica de adsorción de agua destilada aplicando diferentes gradientes térmicos

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(1)DETERMINACIÓN DE LA SUPERFICIE ESPECÍFICA EN SUELOS CAOLINÍTICOS Y BENTONÍTICOS MEDIANTE LA TÉCNICA DE ADSORCIÓN DE AGUA DESTILADA APLICANDO DIFERENTES GRADIENTES TÉRMICOS. BREIDY JULIETH PARRADO MORERA JULIETH TATIANA TOLOZA CALDERÓN. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2017.

(2) DETERMINACIÓN DE LA SUPERFICIE ESPECÍFICA EN SUELOS CAOLINÍTICOS Y BENTONÍTICOS MEDIANTE LA TÉCNICA DE ADSORCIÓN DE AGUA DESTILADA APLICANDO DIFERENTES GRADIENTES TÉRMICOS. BREIDY JULIETH PARRADO MORERA JULIETH TATIANA TOLOZA CALDERÓN. Trabajo de grado para optar al título de ingeniero civil. Director JUAN CARLOS RUGE CÁRDENAS Ingeniero civil. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2017.

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(4) Nota de aceptación ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________. ____________________________ Firma del presidente del jurado. ____________________________ Firma del jurado. ____________________________ Firma del jurado. Bogotá D.C., 17 de mayo de 2017.

(5) A Dios, por la vida y permitirnos alcanzar un nuevo logro. A nuestros padres, por ser el apoyo incondicional en esta etapa de vida. Al ingeniero Juan Carlos Ruge, por compartir conocimiento y experiencia en el desarrollo del proyecto. Y a todas aquellas personas que aportaron su conocimiento en nuestra formación..

(6) CONTENIDO GLOSARIO ............................................................................................................ 14 RESUMEN ............................................................................................................. 16 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 18 1. GENERALIDADES .......................................................................................... 19 1.1. ANTECEDENTES ..................................................................................... 19. 1.1.1 Aproximación al valor de superficie específica por un método manual y simple. .......................................................................................................... 19 1.1.2 Superficie específica de una bentonita mediante la adsorción de azul de metileno. ..................................................................................................... 19 1.1.3 Estudio de la capacidad de adsorción de azul de metileno de arcillas minerales modificadas térmicamente. ............................................................. 19. 2. 1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................... 20. 1.3. OBJETIVOS.............................................................................................. 21. 1.3.1. General. ............................................................................................. 21. 1.3.2. Específicos. ........................................................................................ 21. 1.4. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 21. 1.5. DELIMITACIÓN ........................................................................................ 22. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 23 2.1. HISTORIA DE LA MECÁNICA DE SUELOS ............................................ 23. 2.2. EL SUELO ................................................................................................ 24. 2.3. FACTORES CONSTITUYENTES DEL SUELO ........................................ 24. 2.3.1. El agua. .............................................................................................. 25. 2.3.2. El sol. ................................................................................................. 25. 2.3.3. El viento. ............................................................................................ 26. 2.3.4. Meteorización. .................................................................................... 26. 2.3.4.1. Meteorización física........................................................................ 27 2.3.4.2. Meteorización química. .................................................................. 27 2.4. TIPOS DE SUELO .................................................................................... 27. 2.5. CLASIFICACIÓN DEL SUELO ................................................................. 28. 2.5.1. Suelos gruesos................................................................................... 29.

(7) 2.5.1.1. Gravas. ........................................................................................... 29 2.5.1.2. Arenas. ........................................................................................... 30 2.5.2. Suelos finos. ....................................................................................... 30. 2.5.2.1. Limos. ............................................................................................. 30 2.5.2.2. Arcilla orgánica. .............................................................................. 30 2.5.2.3. Turba. ............................................................................................. 31 2.6. SUELOS EXPANSIVOS ........................................................................... 31. 2.7. ENSAYOS COMUNES DE CARACTERIZACIÓN DE ARCILLAS ............ 32. 2.7.1. Análisis granulométrico por medio del hidrómetro.............................. 32. 2.7.2. Límites de Atterberg ........................................................................... 32. 2.7.2.1. Límite de plástico (PL). ................................................................... 33 2.7.2.2. Límite de Líquido (LL). ................................................................... 33 2.7.2.3. Índice de plasticidad. ...................................................................... 34. 3. 2.7.3. Gravedad específica. ......................................................................... 34. 2.7.4. Método de adsorción de agua. ........................................................... 34. MARCO CONCEPTUAL.................................................................................. 35 3.1. ARCILLAS ................................................................................................ 35. 3.2. TIPOS DE ARCILLAS ............................................................................... 35. 3.2.1. Las ilitas. ............................................................................................ 35. 3.2.2. Bentonita. ........................................................................................... 36. 3.2.3. Caolinita. ............................................................................................ 36. 3.2.4. Montmorillonita. .................................................................................. 36. 3.2.5. Biotita. ................................................................................................ 36. 3.2.6. Arcillas plásticas. ................................................................................ 36. 3.2.7. Gres (arenisca)................................................................................... 36. 3.3. MINERALES CONSTITUTIVOS DE LAS ARCILLAS ............................... 37. 3.4. UNIDADES ESTRUCTURALES ............................................................... 37. 3.4.1. Unidad tetraédrica. ............................................................................. 37. 3.4.2. Unidad octaédrica. ............................................................................. 38. 3.5. CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES ARCILLOSOS ........................... 39. 3.5.1. Grupo de caolinitas. ........................................................................... 39.

(8) 3.5.2. Grupo de ilitas. ................................................................................... 40. 3.5.3. Grupo de montmorilonitas. ................................................................. 40. 3.6. ESTRUCTURA MINERALÓGICA ............................................................. 41. 3.7. PROPIEDADES QUÍMICAS ..................................................................... 43. 3.7.1. Adsorción. .......................................................................................... 44. 3.7.2. Hidratación e hinchamiento. ............................................................... 44. 3.7.3. Superficie específica. ......................................................................... 44. 3.7.4. Porosidad. .......................................................................................... 45. 3.7.5. Color................................................................................................... 45. 3.7.6. Tixotropía. .......................................................................................... 46. 3.7.7. Permeabilidad. ................................................................................... 46. 3.8. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS ARCILLAS........................ 46. 3.8.1. Resistencia en estado seco. .............................................................. 46. 3.8.2. Dilatación. .......................................................................................... 47. 3.8.3. Tenacidad. ......................................................................................... 47. 3.8.4. Índice de tenacidad (𝑻𝒘). ................................................................... 47. 3.8.5. Actividad. ............................................................................................ 47. 3.8.6. Contenido de humedad. ..................................................................... 48. 3.8.7. Sensitividad (ST). ................................................................................ 48. 3.8.8. Consistencia y plasticidad. ................................................................. 48. 3.9. ARCILLAS INDUSTRIALES ..................................................................... 49. 3.9.1. Bentonita. ........................................................................................... 50. 3.9.2. Uso de la bentonita. ........................................................................... 50. 3.9.3. Uso ingenieril. .................................................................................... 51. 3.10. CAOLINITA............................................................................................ 51. 3.10.1 4. Uso ingenieril .................................................................................. 53. METODOLOGÍA.............................................................................................. 54 4.1. Recopilación de información ..................................................................... 54. 4.2. Selección de las arcillas a estudiar ........................................................... 54. 4.3. Caracterización de las arcillas .................................................................. 54. 4.3.1. Ensayo de gravedad específica. ........................................................ 55.

(9) 4.3.1.1. Gravedad específica – Bentonita ................................................. 57. 4.3.1.2. Gravedad específica – Caolinita. ................................................. 58. 4.3.2. Ensayo de análisis granulométrico por hidrómetro............................. 58. 4.3.2.1. 5. 6. Granulometría por hidrómetro...................................................... 59. 4.4. Aplicación de gradientes térmicos ............................................................ 61. 4.5. Determinación de la superficie específica................................................. 62. RESULTADOS ................................................................................................ 66 5.1. Resultados de la Bentonita ....................................................................... 66. 5.2. Resultados de la Caolinita ........................................................................ 67. 5.3. Resultado de los límites de consistencia .................................................. 69. ANÁLISIS DE RESULTADOS ......................................................................... 89 6.1. Bentonita................................................................................................... 89. 6.1.1. Variación del límite líquido. ................................................................ 89. 6.1.2. Variación del límite plástico ................................................................ 90. 6.1.3. Variación del índice de plasticidad ..................................................... 90. 6.1.4. Variación de la superficie específica .................................................. 91. 6.2. Caolinita .................................................................................................... 93. 6.2.1. Variación del límite líquido ................................................................. 93. 6.2.2. Variación del límite plástico ................................................................ 93. 6.2.3. Variación del índice de plasticidad ..................................................... 94. 6.2.4. Variación de la superficie específica .................................................. 95. 6.3. Comparación superficie específica de las arcillas .................................... 97. 7. CONCLUSIONES ............................................................................................ 98. 8. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 100.

(10) LISTA DE IMÁGENES Imagen 1. Agrietamiento y Presión del agua en rocas. .......................................... 25 Imagen 2. Fenómeno de exfoliación en un esquisto (roca metamórfica). .............. 26 Imagen 3. Dunas de arena. ................................................................................... 26 Imagen 4. Tipos de suelos. .................................................................................... 28 Imagen 5. Átomo de silicio rodeado de cuatro átomos de oxígeno........................ 37 Imagen 6. Unidad tetraédrica. ................................................................................ 38 Imagen 7. Capa tetraédrica. .................................................................................. 38 Imagen 8. Unidad octaédrica. ................................................................................ 39 Imagen 9. Capa tetraédrica. .................................................................................. 39 Imagen 10. Arcilla caolinítica. ................................................................................ 40 Imagen 11. Arcilla Ilita ............................................................................................ 40 Imagen 12. Arcilla montmorilonita. ......................................................................... 41 Imagen 13. Estructura tetraédrica (𝑆𝑖 − 𝑂) ............................................................ 41 Imagen 14. Capa tetraédrica de un filosilicato. ...................................................... 42 Imagen 15. Estructura interna de un tetraedro y un octaedro cuando se unen. .... 43 Imagen 16. Hidratación interna en una arcilla. ....................................................... 44 Imagen 17. Formación de la Doble capa difusa entorno a un cristal de arcilla sumergido en agua. ............................................................................................... 45 Imagen 18. Plasticidad de una arcilla. ................................................................... 48 Imagen 19. Límites de Atterberg ............................................................................ 49 Imagen 20. Caolín extrusionado. ........................................................................... 52 Imagen 21. Caolín micronizado y seco. ................................................................. 52 Imagen 22. Calibración del picnómetro .................................................................. 56 Imagen 23. Picnómetro, material y agua ............................................................... 56 Imagen 24. Extracción de aire - cámara de vacío ................................................. 56 Imagen 25. Material antes de llevar al horno ......................................................... 56 Imagen 26. Material durante el proceso de secado ............................................... 57 Imagen 27. Material en estado seco ...................................................................... 57 Imagen 28. Registro datos ensayo hidrómetro. ..................................................... 59 Imagen 29. Muestra de arcilla ................................................................................ 61 Imagen 30. Material en estado natural ................................................................... 63 Imagen 31. Espátulas y Ranurador........................................................................ 63 Imagen 32. Cazuela de casa grande. .................................................................... 63 Imagen 33. Materia antes de ser saturado ............................................................ 63 Imagen 34. Material húmedo ................................................................................. 64 Imagen 35. Material saturado ................................................................................ 64 Imagen 36.cazuela con material. ........................................................................... 64 Imagen 37. Material a 110 °C ................................................................................ 64 Imagen 38. Material después de 24 h en el horno ................................................. 65 Imagen 39. Proceso de adsorción de agua ........................................................... 65.

(11) LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 1. Análisis granulométrico de las arcillas ................................................... 60 Gráfica 2. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura ambiente..................... 69 Gráfica 3. Curva de fluidez Bentonita 7 días – temperatura ambiente ................... 70 Gráfica 4. Curva de fluidez Bentonita 15 días – temperatura ambiente ................. 71 Gráfica 5. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura ambiente ...................... 72 Gráfica 6. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura ambiente .................... 73 Gráfica 7. Curva de fluidez Caolinita 15 días – temperatura ambiente .................. 74 Gráfica 8. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura 100 °C ........................ 75 Gráfica 9. Curva de fluidez Bentonita 7 días – temperatura 100 °C ...................... 76 Gráfica 10. Curva de fluidez Bentonita 15 días – temperatura 100 °C................... 77 Gráfica 11. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura 100 °C ....................... 78 Gráfica 12. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura 100 °C ...................... 79 Gráfica 13. Curva de fluidez Caolinita 15 días – temperatura 100 °C .................... 80 Gráfica 14. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura 200 °C ...................... 81 Gráfica 15. Curva de fluidez Bentonita 7 días – temperatura 200 °C..................... 82 Gráfica 16. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura 200 °C ....................... 83 Gráfica 17. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura 200 °C ...................... 84 Gráfica 18. Curva de fluidez Bentonita 1 día – temperatura 250 °C ...................... 85 Gráfica 19. Curva de fluidez bentonita 7 días – temperatura 250 °C ..................... 86 Gráfica 20. Curva de fluidez Caolinita 1 día – temperatura 250 °C ....................... 87 Gráfica 21. Curva de fluidez Caolinita 7 días – temperatura 250 °C ...................... 88 Gráfica 22. Variación del límite líquido en la Bentonita .......................................... 89 Gráfica 23. Variación del límite plástico de la Bentonita ........................................ 90 Gráfica 24. Variación del índice de plasticidad de la Bentonita ............................. 91 Gráfica 25. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (1 día)......................................................................................................................... 91 Gráfica 26. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (7 días) ....................................................................................................................... 92 Gráfica 27. Variación del límite líquido en la Caolinita ........................................... 93 Gráfica 28. Variación del límite plástico de la Caolinita ......................................... 94 Gráfica 29. Variación del índice de plasticidad de la Caolinita ............................... 94 Gráfica 30. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (1 día)......................................................................................................................... 95 Gráfica 31. Variación de la superficie específica a diferentes gradientes térmicos (7 días) ....................................................................................................................... 96 Gráfica 32. Comparación de los valores de superficie específica de las dos acillas ............................................................................................................................... 97.

(12) LISTA DE TABLAS Tabla 1. Gravedad específica (bentonita) .............................................................. 57 Tabla 2.Gravedad específica (caolinita) ................................................................. 58 Tabla 3. Datos granulometría por hidrómetro - bentonita ..................................... 59 Tabla 4. Datos granulometría por hidrómetro – caolinita ....................................... 60 Tabla 5. Resumen de muestras ensayadas ........................................................... 62 Tabla 6. Resultados Bentonita a temperatura ambiente ........................................ 66 Tabla 7. Resultados Bentonita a 100 °C ................................................................ 66 Tabla 8.Resultados Bentonita a 200 °C ................................................................. 67 Tabla 9. Resultados Bentonita a 250 °C ................................................................ 67 Tabla 10. Resultados Caolinita a temperatura ambiente ....................................... 67 Tabla 11. Resultados Caolinita a temperatura de 100 °C ...................................... 67 Tabla 12. Resultados Caolinita a temperatura de 200 °C ...................................... 68 Tabla 13. Resultados Caolinita a temperatura de 250 °C ...................................... 68 Tabla 14. Certificado de ensayo Número uno ........................................................ 69 Tabla 15. Certificado de ensayo Número dos ........................................................ 70 Tabla 16. Certificado de ensayo Número tres. ....................................................... 71 Tabla 17. Certificado de ensayo Número cuatro. ................................................... 72 Tabla 18. Certificado de ensayo Número cinco ..................................................... 73 Tabla 19. Certificado de ensayo Número seis ....................................................... 74 Tabla 20. Certificado de ensayo Número siete ...................................................... 75 Tabla 21. Certificado de ensayo Número ocho ...................................................... 76 Tabla 22. Certificado de ensayo Número nueve .................................................... 77 Tabla 23. Certificado de ensayo Número 10 .......................................................... 78 Tabla 24. Certificado de ensayo Número 11 .......................................................... 79 Tabla 25. Certificado de ensayo Número 12 .......................................................... 80 Tabla 26. Certificado de ensayo Número 13 .......................................................... 81 Tabla 27. Certificado de ensayo Número 14 .......................................................... 82 Tabla 28. Certificado de ensayo Número 15 .......................................................... 83 Tabla 29. Certificado de ensayo Número 16 .......................................................... 84 Tabla 30. Certificado de ensayo Número 17 .......................................................... 85 Tabla 31. Certificado de ensayo Número 18 .......................................................... 86 Tabla 32. Certificado de ensayo Número 19 .......................................................... 87 Tabla 33. Certificado de ensayo Número 20 .......................................................... 88.

(13) LISTA DE ANEXOS Anexó 1. Tabla de clasificación suelos finos en el sistema USCS. ...................... 103 Anexó 2.Tabla de clasificación del sistema británico BS 5930. ........................... 104 Anexó 3. Tabla de clasificación de suelos de la ASSTHO. .................................. 105 Anexó 4. Clasificación de suelos por el método FAA........................................... 106.

(14) GLOSARIO. Adsorción. Proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en una superficie. Donde un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua mediante el contacto con una superficie sólida (adsorbente) (Barbosa, 2003). Absorción. La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad); cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad (Garcia & Suárez, 2007). Adsorbato. Sustancia adsorbida en la superficie de un adsorbente: el adsorbato se adhiere sobre la superficie del adsorbente por un proceso de adsorción (Donato & Marmolejo, 2013). Aluminosilicatos. Mineral que contiene óxido de aluminio. Se suelen considerar como derivados de los silicatos debido al reemplazo de los iones, los cuales debido a la diferencia d cargas positivas, requieren cationes adicionales con la finalidad de poder alcanzar la neutralidad eléctrica (Pineda, 2013). Compresibilidad. Propiedad de la materia a la cual hace que todos los cuerpos disminuyan su volumen al ser sometidos a una presión o compresión determinada manteniendo constantes otros parámetros (Montaña , 2013). Conductividad hidráulica. Representa la mayor o menor facilidad con la que el medio deja pasar el agua a través de él por unidad de área transversal a la dirección del flujo (Donado & Colmenares, 2004). Denudación. Proceso por el cual se determina la degradación de la superficie de un suelo donde comprende los procesos de meteorización, transporte y erosión (Ramos, 2012). Deyección. Forma del terreno cuando una corriente de agua que fluye rápidamente en una zona más tendida donde su velocidad disminuye extendiéndose se cauce a una llanura plana (Gomez, 1996). Dunas. Acumulación de arena generadas por el viento, por lo que poseen unas capas suaves y uniformes. Pueden ser producidas por cambios en el viento o por variaciones en la cantidad de arena (Cortes, 1996). Depuración. Consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin eliminar los contaminantes físicos, químicos y biológicos presentes en el agua efluente del uso humano (Garcia S. , 2004). Destilación. Proceso que consiste en separar los distintos componentes de una mezcla mediante el calor. Para ello se calienta la sustancia, normalmente en estado líquido, para que sus componentes más volátiles pasen a estado gaseoso y a.

(15) continuación volver esos componentes a estado líquido mediante condensación por enfriamiento (Guerra & Mallén , 2008). Erosión. Los procesos naturales o químicos en la geología desgastan suelos o superficies rocosas, generadas por movimiento y transporte de material de un sitio a otro, permitiendo la modificación de sus propiedades y geografías (Abraham & Salomón , 2016). Hidroxilo. Conjunto de átomos unidos a una cadena carbonada, característicos de los alcoholes entre otros compuestos orgánicos (Berry & Reid, 1993). Humus. Es la sustancia compuesta por ciertos productos orgánicos de naturaleza coloidal, que proviene de la descomposición de los restos orgánicos por organismos y microorganismos benéficos (hongo y bacterias). Se caracteriza por su color negruzco debido a la gran cantidad de carbono que contiene. Se encuentra principalmente en las partes altas de los suelos con actividad orgánica (Juárez Badillo & Rico Rodríguez, 2005). Ortoclasa. Es un mineral del grupo de los silicatos, es uno de los minerales formadores más abundantes de la corteza terrestre. Su forma de granos redondeados o en secciones de cristales bien formados y su color rosa, más o menos intenso asociándose a la formación del cuarzo (Garcia & Suárez, 2007). Turbas. Material orgánico, que presenta color pardo oscuro y rico en carbono. Este material está formado por una masa esponjosa y ligera en la que aún se aprecian los componentes vegetales que la originaron. Funciona como obtención de abonos orgánicos (Thompson & Troeh, 2002)..

(16) RESUMEN. El estudio de las arcillas queda certificado por la creación de importantes grupos de investigación. La arcilla se considera y es definida de diversas maneras, es difícil de precisar depende de cada autor. Anteriormente las arcillas se consideraban altamente resistentes a la erosión provocada por el agua. El progreso ha sido la razón en la que el concepto de arcilla abarca los minerales propiamente cada uno con sus propiedades características en cuanto a su composición química y su comportamiento. Pocos ejemplos hay de una materia prima que tenga una aplicación tan versátil y extensa como la arcilla. Debido a que la arcilla es responsable en gran medida de la actividad fisicoquímica del suelo, es por eso que muchos de los conocimientos sobre la arcilla provienen de investigaciones y extensos ensayos para determinar la razón de sus propiedades. Sin embargo, entre las características que afectan la mineralogía de las arcillas nos encontramos con la superficie específica, donde se define, como el total de 2 2 superficie de partículas por unidad de volumen (𝑚 ⁄𝑚3) o de masa ( 𝑚 ⁄𝑔𝑟), por lo que, a menor tamaño de partículas, mayor será su superficie específica. Por este motivo, este trabajo se realizó con el fin de comprobar experimentalmente si estas dos arcillas de origen industrial se caracterizan como arcillas altamente resistentes para uso ingenieril, teniendo en cuenta resultados de ensayos en laboratorio a variación de gradientes térmicos. Palabras Claves: arcilla, adsorción, superficie específica.. 16.

(17) ABSTRACT The study of clays is certified by the creation of important research groups. Clay is considered and defined in various ways, it is difficult to pinpoint it depends on each author. Previously the clays were considered highly resistant to the erosion caused by the water. Previously the clays were considered highly resistant to the erosion caused by the water. Progress has been the reason in which the concept of clay comprises minerals properly each with its characteristic properties in terms of its chemical composition and behavior. Few examples are of a raw material that has an application as versatile and extensive as the clay. Because clay is largely responsible for the physicochemical activity of the soil, that is why many of the knowledge about clay comes from research and extensive trials to determine the reason for its properties. However, among the characteristics that affect the mineralogy of clays we find the specific surface, where it is defined, as the total surface area of particles per unit 2 2 volume (𝑚 ⁄𝑚3) or mass ( 𝑚 ⁄𝑔𝑟), reason why, the smaller the particle size will be its specific surface. For this reason, this work was performed to verify experimentally if these two clays of industrial origin are characterized as highly resistant clays for engineering use, taking into account results of laboratory tests to variation of thermal gradients. Key Words: clay, Adsorption Specific Surface.. 17.

(18) INTRODUCCIÓN. En Colombia, según estudios realizados cerca del 12% del territorio está compuesto por depósitos de cenizas volcánicas localizadas principalmente en zonas de mayor índice demográfico, por ejemplo, la ciudad de Bogotá, Medellín, Pasto y el Eje Cafetero. Por otra parte, Colombia está ubicado en una zona tropical lo que permite el proceso acelerado de meteorización, estas condiciones facilitan la formación de arcillas. La naturaleza de las arcillas es fundamentalmente expansiva, está relacionada directamente con el agua adsorbida. Las arcillas expansivas presentan estructuras que permiten la penetración del agua entre laminas tetraédricas y octaédricas a través de los enlaces de hidrogeno. Entre las arcillas más estudiadas se encuentran las bentonitas y caolinitas, la bentonita es un mineral arcilloso que se forma por descomposición de cenizas volcánicas; posee alta capacidad de adsorción debido a su elevada superficie específica. La caolinita es un mineral arcilloso conformado por caolín; esta arcilla se caracteriza por baja adsorción de agua al igual que superficie específica. La superficie específica de una arcilla, que es la relación entre la superficie de una partícula (Sc) y su masa (m). Existen diferentes técnicas para determinarla, entre las cuales se encuentran: 1) adsorción de moléculas de un soluto, este método se recomienda para suelos expansivos, 2) adsorción de moléculas en estado gaseoso, por ejemplo, nitrógeno, vapor de agua o CO2 y 3) otras técnicas basadas en propiedades termodinámicas, en difusividad de los patrones de difracción de rayos X, o en propiedades eléctricas (Narsilio, y otros, 2004). Debido a la importancia de relacionar la superficie específica de dos arcillas (caolinita y bentonita) se empleó el método de adsorción de moléculas de agua destilada sometiéndolas a diferentes gradientes de temperatura. De igual manera se analizaron las propiedades fisicoquímicas de las arcillas al someterlas a gradientes térmicos ya que a altas temperaturas la estructura cristalina de la arcilla se modifica de manera radical, permitiendo alcanzar altas resistencias y menor plasticidad. Actualmente, las arcillas expansivas especialmente las bentonitas se han venido empleando para la depuración de aguas residuales, debido a su alta capacidad de adsorción, a su vez, también son empleadas para la separación de gases, líquidos y sustancias iónicas y no iónicas en una solución.. 18.

(19) 1. 1.1. GENERALIDADES. ANTECEDENTES. 1.1.1 Aproximación al valor de superficie específica por un método manual y simple. En septiembre del 2001 la Asociación Argentina De Materiales (SAM), desarrollo un trabajo de investigación para la determinación gravimétrica, a presión constante, de la adsorción de agua sobre una superficie sólida. Para validación del método se realizó también la medición de superficie específica mediante el método clásico (BET), los valores obtenidos se analizaron y compararon según cada grupo de minerales estudiados. Los resultados obtenidos permitieron concluir la posibilidad de utilizar el método para realizar una aproximación a los valores de superficie específica determinada con el método BET, con la ventaja adicional de bajo costo y simplicidad de realización (Lombardi, y otros, 2001). 1.1.2 Superficie específica de una bentonita mediante la adsorción de azul de metileno. En mayo de 1997 el departamento de química de la Universidad Nacional, estudiaron la superficie específica de una bentonita colombiana, procedente del Valle del Cauca, mediante la adsorción de azul de metileno. En la parte experimental, se secó a 110 °C la bentonita durante 48 horas. Las isotermas (equilibrio de adsorción en una superficie) de adsorción de azul de metileno se obtuvieron de muestras de 100 miligramos de bentonita colocadas en frascos con tapa, los cuales contenían 100 mililitros de solución de azul de metileno a diferentes concentraciones. Los frascos se agitaron durante 12 horas y luego se dejaron en reposo en un termostato a 25 °C por 24 horas. La concentración final se determinó mediante espectrometría a 630 nm (Bello, 1997). 1.1.3 Estudio de la capacidad de adsorción de azul de metileno de arcillas minerales modificadas térmicamente. En mayo del 2014 en el encuentro XXXV de la academia mexicana de investigación y docencia en ingeniería química A.C, se analizó la capacidad de adsorción de azul de metileno en dos arcillas (arcilla caolinita y arcilla montmorillonítas) del estado de Guanajuato (México), y el efecto que tiene en esta propiedad su reestructuración térmica. 19.

(20) Se empleó la metodología Batch a 25 °C para estudiar la capacidad de adsorción de las arcillas. El tratamiento previo de las arcillas consistió en reducir su tamaño a 60 mallas Tyler y someterlas a calentamiento durante 3 horas a las temperaturas 200, 400, 700, 800, 900 y 1000 °C. Se colocaron 0,5 gr de arcilla en 200 ml de solución a 80 ppm de azul de metileno con agitación constante durante 3 horas. La adsorción se llevó a cabo midiendo la concentración de azul de metileno remanente en la solución (Torres Ochoa, y otros, 2014). 1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. La arcilla al someterse a altos gradientes de temperatura presenta una modificación en la estructura químico – física, disminuyendo la superficie específica y perdiendo la capacidad de adsorción. Pero cuando la superficie específica de la arcilla es mayor, la carga negativa aumenta, presentando una atracción de cationes de hidrogeno (+H) de la molécula de agua más relevante. Al ocurrir esa atracción, la partícula de arcilla obtiene elevada capacidad de adsorción de agua, por lo tanto, la doble capa difusa (capa que se forma después de la capa de agua adsorbida) se amplia. Un fenómeno que es directamente proporcional a la adsorción es la plasticidad, debido a que la partícula de arcilla está rodeada por moléculas de agua fuertemente atraídas, que tienen libre movimiento alrededor de la superficie. Por lo tanto, cuando se generan compresiones en la arcilla el agua adsorbida se deforma generando desplazamiento de las partículas entre sí y en consecuencia se pueden presentar asentamientos (Berry, y otros, 1993). En los ensayos de laboratorio se buscó determinar la superficie específica y su reacción a diferentes gradientes de temperatura en los dos tipos de arcillas (bentonita y Caolinita) empleando como soluto el agua. Para lograr el objetivo fue necesario saber la cantidad de agua que rodea una partícula de arcilla, conociendo que una molécula de agua mide 0,106nm2. Consecuente al contexto, se identificó la siguiente problemática para el desarrollo del proyecto investigativo: “la necesidad de determinar la superficie específica y la influencia de la temperatura en las propiedades fisicoquímicas de las arcillas”. Partiendo de la problemática la interrogante planteada fue la siguiente: ¿Es posible analizar la evolución del comportamiento de la superficie específica mediante la aplicación de gradientes térmicos en una arcilla?. 20.

(21) 1.3. OBJETIVOS. 1.3.1 General. Determinar la superficie específica en suelos caoliníticos y bentoníticos mediante la técnica de adsorción de agua destilada aplicando diferentes gradientes térmicos. 1.3.2 Específicos.. 1.4. . Caracterizar las muestras de arcilla utilizadas en la investigación mediante ensayos índice.. . Analizar el comportamiento de las arcillas a diferentes gradientes térmicos con el fin de establecer las condiciones fisicoquímicas más favorables para el uso ingenieril.. . Ejecutar los ensayos de adsorción de agua destilada para realizar una aproximación a la superficie específica de las muestras de arcilla.. . Comparar los resultados de laboratorio con el propósito de establecer los tipos de arcilla que presentan variaciones en su superficie específica. JUSTIFICACIÓN. Este trabajo de investigación tuvo viabilidad porque analizó la importancia del estudio de la superficie específica en arcillas. Asimismo, contribuyo al conocimiento del método de adsorción de agua destilada en arcillas debido a que este método tiene bajo reconocimiento a nivel mundial, y otorga valores de alta precisión. Los resultados obtenidos demuestran la susceptibilidad en las propiedades fisicoquímicas de las arcillas al someterlas a variaciones drásticas de temperatura, ya que cambian notablemente su capacidad de adsorber agua. Por otra parte, el estudio de estas dos arcillas (bentonita y caolinita) permitió hacer una comparación en la plasticidad y su variación al aumentar la temperatura y tiempo de exposición de cada una de las muestras. Cabe resaltar que estas dos arcillas son completamente diferentes, ya que la bentonita es una arcilla inestable, debido a su alta capacidad de adsorción de agua, y la caolinita es una arcilla relativamente estable en presencia de agua. Estas dos arcillas son empleadas en la industria en campos totalmente contrarios. Por ejemplo, la bentonita es usada para estabilizar y la caolinita en la industria farmacéutica. Finalmente, este proyecto benefició a la comunidad investigativa del área de geotecnia, ya que aportó conocimiento y una nueva metodología para determinar la superficie específica en suelos empleando laboratorios con tecnología básica. 21.

(22) Además, contribuye como antecedente para futuras investigaciones en arcillas en la Universidad Católica de Colombia. 1.5. DELIMITACIÓN. El periodo que se estableció para realizar el proyecto fue de aproximadamente 97 días (3 meses). En este lapso de tiempo se organizó de manera precisa cada una de las actividades a realizar, ya que las principales limitaciones se reflejaron en la dificultad de acceder a la información debido a que el ensayo de adsorción de agua destilada no es comúnmente empleado para la determinación de superficie específica en arcillas, por lo cual la información del método de adsorción de agua destilada es escasa. Por otra parte, se hizo uso las instalaciones de laboratorio de la universidad católica de Colombia, especialmente los hornos. Estos hornos, fueron realmente la principal limitación para desarrollar la investigación, debido a que no alcanzan temperaturas mayoras a 250°C, y, además, solamente se contaba con un horno, de tal manera que no fue posible emplear gradientes mayores a dicha temperatura, ni tampoco aumentar el tiempo de exposición, impidiendo obtener cambios significativos en la estructura cristalina de la arcilla. Los alcances fueron la determinación de la superficie específica de las muestras de arcillas bentonita y Caolinita, utilizando diferentes gradientes de temperatura. Como derivación se realizó un documento con los resultados obtenidos en los laboratorios y sus respectivos análisis, centrados en la comparación de la superficie específica y los ensayos índice de las dos arcillas. También se llevó a cabo un artículo científico y un poster para complementar y divulgar la investigación.. 22.

(23) 2. 2.1. MARCO TEÓRICO. HISTORIA DE LA MECÁNICA DE SUELOS. La tierra es uno de los elementos más abundantes en el planeta, y es uno de los principales materiales usados para la construcción convirtiéndose en un componente significativo para la ingeniería. Por tal motivo se ha generado un interés en el estudio de las características y el comportamiento de los diferentes tipos de suelos ya que cada uno se comporta de manera diferente; Partiendo de esto se originó una ciencia llamando mecánica de suelos. La mecánica de suelos es una ciencia que estudia el comportamiento y propiedades de los suelos, a lo largo de la historia varios personajes han aportado conocimiento mediante diferentes estudios realizados. Entre los pioneros se encuentra Carlos A. de Coulomb, quien estudio una metodología para la determinación de la superficie de falla en los suelos en el año 1840, y Karl Terzaghi quien años más tarde se dedicó a realizar diversas investigaciones que marcaron el desarrollo del estudio de suelos, por esta razón es conocido como el padre de la mecánica de suelos. Entre los diferentes tipos de suelos se encuentran las arcillas, que han ocupado un lugar importante través de la historia, ya que desde tiempos inmemorables el hombre la usaba para elaborar utensilios principalmente relacionados con la cerámica. Civilizaciones como la mesopotámica fueron construidas con este material como lo muestra los diferentes hallazgos en tumbas alrededor del mundo. Además, las arcillas son objeto de estudio debido a que es un material altamente inestable y que se encuentra de manera abundante en la naturaleza. Desde el siglo XVIII surgió el estudio de las propiedades de las arcillas, pero en el siglo XIX con el descubrimiento del microscopio se intensifico el estudio de la mineralogía de las arcillas. El progreso del estudio de las arcillas ha sido laborioso, debido a que el concepto de arcilla engloba muchas características de composición química, comportamiento físico y constitución. Diversos estudios realizados en arcillas revelaban que la composición era totalmente variable de un tipo a otro. La caracterización de arcillas por grupos se originó desde el año 1925, cuando varios investigadores se interesaron por estudiar detalladamente los minerales de arcilla en la naturaleza y los mecanismos de intercambio iónico de cada uno (Besoain, 1985). En la actualidad, las arcillas son un campo que cada día genera mayor estudio, y a su vez genera mayor información que facilita el estudio de sus propiedades y comportamiento para futuras generaciones. Se espera que el conocimiento de las arcillas avance de manera exponencial tal que sea posible conocer métodos de estabilización más precisos, dependiendo el tipo de suelo que se encuentre en la naturaleza, esta es una meta que debe lograr la ingeniería civil.. 23.

(24) 2.2. EL SUELO. El suelo está compuesto por muchas partículas individuales, aire y/o Agua (la cual juega un papel importante en el comportamiento fisicoquímico del suelo), que rellenan los vacíos entre ellas y trabajan de manera organizada, pero las propiedades de las partículas varían entre sí, de manera horizontal rápidamente. De acuerdo con el origen de sus elementos, los suelos se dividen en dos amplios grupos: suelos cuyo origen se debe a la descomposición física y/o química de las rocas, o sea los suelos inorgánicos, y suelos cuyo origen es principalmente orgánico. A través de un proceso de desintegración mecánica y descomposición química, las rocas de la corteza terrestre forman los materiales sueltos que se encuentran en ella. El suelo se presenta como una delgada capa sobre la corteza terrestre de material que provine de la desintegración y/o alteración física y/o química de las rocas y de los residuos de las actividades de los seres vivos que sobre ella se asientan. La desintegración mecánica refiere a la intemperización de las rocas por agentes físicos, tales como cambios periódicos de temperatura, acción de la congelación del agua en las juntas y grietas de las rocas, efectos de organismos, plantas, etc. Por estos fenómenos las rocas llegan a formar arenas, o cuando muchos, limos y solo en casos especiales arcillas. El término de suelo es relativo, por ejemplo, para el geólogo es el resultado de procesos de meteorización de diferentes materiales; para el ingeniero civil, suelo es el conjunto de partículas minerales derivadas de la desintegración de rocas. A su vez, comúnmente, la palabra suelo es atribuida a la corteza terrestre del planeta. De manera general, la palabra suelo simboliza todo tipo de material compuesto por partículas derivadas de roca o materia orgánica de la corteza terrestre. Por ejemplo, relleno, arena, arcilla, areniscas y lulitas. Es importante aclarar que no se incluyen las rocas sanas, ígneas o metamórficas y depósitos sedimentarios altamente cementados que se desintegren con rapidez (Juárez Badillo, y otros, 2005). Los suelos deben, pues, su origen a una tal variedad de causas que excede todo poder de descripción detallada. El resultado de ese conjunto de causas, es una inmensa diversidad de tipos de suelo resultantes. También debe notarse que su formación ha ocurrido a través de las eras geológicas, tal como sigue ocurriendo hoy; en consecuencia, el hombre es completamente ajeno a la génesis del suelo. 2.3. FACTORES CONSTITUYENTES DEL SUELO. La corteza terrestre está constituida principalmente por rocas cuya formación geológica comprende millones de años. Conjuntamente, las rocas son afectadas por los procesos de desintegración y descomposición continúa causada por la. 24.

(25) meteorización. Estos dos procesos están ligados directamente a la exposición a factores abióticos como el agua, sol y viento. 2.3.1 El agua. Es la principal causa de erosión al estar en movimiento; al arrastrar fragmentos de roca angulosos se produce fricción entre ellos generando los cantos rodados en ríos. Por otro lado, cuando el agua cae en forma de lluvia llena las cavidades superficiales de la roca, abre grietas y llena los vacíos internos. Si el agua encerrada llega a congelarse, aumenta su volumen y ejerce dentro de la roca una fuerte presión que causa fracturación, por lo tanto, desintegración en corto periodo de tiempo. En la siguiente imagen 1, se puede apreciar con mayor claridad este fenómeno. En la primera parte, se observa como el agua al caer como lluvia llena las grietas de la roca, posteriormente, en la segunda parte, el agua cambia de estado líquido a solido (hielo), generando un aumento en su volumen, y a su vez, ejerciendo presión en las paredes de la roca debido a que necesita espacio para expandirse. Por último, se generan fracturas en la roca. Imagen 1. Agrietamiento y Presión del agua en rocas.. Fuente. (Alva, 1998).. 2.3.2 El sol. Actúa directamente sobre las rocas, calentando con mayor potencia la parte exterior que la interior. Este fenómeno genera diferenciales de expansión y a su vez esfuerzos elevados, dando como resultado el rompimiento de la capa superficial y desprendimiento de la misma, esto es conocido como exfoliación (imagen 2). Este proceso es variable dependiendo de la altura sobre el nivel del mar, ubicación, temporada del año y los tipos de roca (ígneos o sedimentarios). Las rocas sedimentarias al ser principalmente blandas son afectadas con mayor intensidad. 25.

(26) por el sol, debido a que la gran mayoría presentan grano grueso y están compuestas por minerales con coeficientes de dilatación que varían entre sí (Villalaz, 2004). Imagen 2. Fenómeno de exfoliación en un esquisto (roca metamórfica).. Fuente. Griem (2005).. 2.3.3 El viento. Al igual que el agua contribuye directamente en la erosión, especialmente cuando el suelo es arenoso, como lo son los suelos eólicos. Un ejemplo del fenómeno causado por el viendo son las dunas (imagen 3). Imagen 3. Dunas de arena.. Fuente. National Geographic (2013).. Ahora, teniendo claro el efecto de los factores anteriormente nombrados en las rocas, es necesario abarcar el concepto de meteorización. 2.3.4 Meteorización. Es la descomposición que presentan las rocas debido a la exposición a factores ambientales. De manera general, se puede clasificar en dos grupos: 26.

(27) 2.3.4.1. Meteorización física. Es el “proceso de fragmentación física o desintegración de la masa de roca” (Peter L. Berry, y otros, 1993). La fragmentación como se explicaba anteriormente genera vulnerabilidad en la roca, acelerando la desintegración física y posteriormente generación de suelos. 2.3.4.2. Meteorización química. Es el proceso de descomposición química de los minerales que conforman la roca. De tal manera que el 98% de la corteza terrestre está compuesta por oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio y magnesio; minerales que constituyen las rocas (Peter L. Berry, y otros, 1993). 2.4. TIPOS DE SUELO. Los suelos se dividen en dos amplios grupos: suelos cuyo origen está ligado a la meteorización de las rocas como se mencionaba anteriormente, este grupo se denomina suelos inorgánicos; el otro grupo pertenece a los suelos cuyo origen es principalmente orgánico. Ahora, si un suelo inorgánico permanece en el sitio donde la roca que lo constituye se formó, origina un suelo residual. A su vez, si se generan suelos que sobreyacen sobre otros estratos sin relación directa con ellos, a estos suelos se les denomina suelos transportados. En el caso de los suelos orgánicos, ellos se forman casi siempre in situ. En algunas ocasiones la materia orgánica, ya sea en forma de humus o de materia no descompuesta, presenta una alta relación con un suelo inorgánico debido que las propiedades que pudieran derivar de la porción mineral quedan eliminadas. Esto es muy común en las zonas pantanosas, en la cual los restos de vegetación llegan a formar verdaderos depósitos de gran espesor, generalmente conocidos como turbas. Se caracterizan por su color negro o café oscuro, por bajo peso cuando están secos y su gran compresibilidad y porosidad (Villalaz, 2004). En la imagen 4, se observan los diferentes tipos de suelos.. 27.

(28) Imagen 4. Tipos de suelos.. Fuente. (Villalaz, 2004).. 2.5. CLASIFICACIÓN DEL SUELO. La identificación del suelo, depende de los principales sistemas de clasificación, donde el objetivo es establecer un lenguaje común y relacionar propiedades con determinados grupos de suelos, considerando el suelo como material, los sistemas principales de clasificación son:    . Sistema unificado de clasificación de suelos USCS. American Association of state highway oficial AASHTO. Sistemas británicos BS. FAA. El sistema unificado de clasificación de suelos USCS (ASTM, 2014) define a la arcilla como el suelo que pasa el tamiz N°200 (0,075mm), siendo un determinado suelo con propiedades plásticas dentro de cierto intervalo en humedad, al secarse al aire, genera una considerable resistencia. entre este sistema se encuentran los siguientes suelos: Arcilla orgánica. Es un suelo que es clasificado como arcilla o limo, excepto que su límite líquido después de secado al horno es menor que el 75% de este valor antes de ser secado, pues es una arcilla o limo, que contienen un alto contenido de materia orgánica como para influir en las propiedades del suelo. En este sistema se hace uso de los sufijos, que permiten identificar algunas características particulares, donde un suelo bien gradado se identifica con la letra. 28.

(29) W debido a su traducción del inglés “Well graded”, mal gradado P del inglés “Poorly graded”, suelo de baja plasticidad y límite líquido menor a 50%, del inglés “Low plasticity” y finalmente suelo de alta plasticidad con límite líquido mayor del 50%, del inglés “High plasticity”. Respecto a los sufijos, al ser combinados con los prefijos de los materiales limo (M), arcilla (C), suelo orgánico (O), arena (S) y grava (G), se permite hacer una mejor descripción del suelo analizado, puesto que, su simbología doble hace referencia al tipo de material y su estado plástico o de gradación, ver Anexó 1. Para el sistema británico BS-BSCS (Lescano, 2015) consideran que los suelos finos se categorizan si entre el 15% y el 35% de la muestra de suelo en peso, es inferior 0,06mm, especificando como limoso (M) y arcilloso (C), esto según los valores de la carta de plasticidad del sistema británico BS 5930 ver Anexó 2. El sistema (AASHTO M 145. (s.f.)) hace su clasificación entres siete (7) grupos, donde el material limo arcilloso, es un material calificado entre regular a malo, este pasa más del 35% del tamiz N°200 y se comprende como suelos limoso en los grupos A-4 y A-5, y los suelos arcillosos están descritos en los grupos A-6, A-7, A7-5 y A-7-6, como características especiales en este tipo de suelos, según su clasificación, comprenden grandes cambios de volumen en estado seco y húmedo, debido al elevado límite líquido que permite que sea elástico y compresible. Ver Anexó 3. Según el sistema (FAA, 2011), la arcilla es aquella que pasa el tamiz N°270 y cuyas partículas son menores de 0,005mm, y los limos son material que pasa el tamiz N°270 y sus partículas comprenden entre 0,05mm y 0,005mm. Ver Anexó 4. Teniendo en cuenta que la terminología arcilla, para los sistemas de clasificación, es muy técnica debido a los ensayos que permite identificar este tipo de suelo, y generalizando que es un suelo plástico, debido a su contenido de humedad, lo que permite que cuando se seca al aire se vuelva de gran resistencia, cambiando su volumen. Los suelos se dividen en dos principales grupos. 2.5.1 Suelos gruesos. En los suelos gruesos se tienen las gravas (G) y las arenas (S) de tal modo que un suelo pertenece al grupo de las gravas (G) si más de la mitad de la fracción gruesa es retenida por la malla N°4, y pertenece al grupo de las arenas (S) en caso contrario. 2.5.1.1. Gravas. Las gravas son reservas sueltas de fragmentos de rocas y que tienen más de dos milímetros de diámetro. Sin embargo, estas son arrastradas por las aguas en movimiento, generando desgaste en sus aristas, y, por lo tanto, redondeándolas. Como material suelto suele encontrársele en los lechos, en las márgenes y en los conos de deyección de los ríos. Las gravas ocupan grandes. 29.

(30) extensiones, pero casi siempre se encuentran con mayor o menor proporción de cantos rodados, arenas, limos y arcillas. Sus partículas varían desde 7.62 cm (3”) hasta 2.0 mm. 2.5.1.2. Arenas. Son materiales de granos finos procedentes de la erosión de las rocas o de su trituración artificial, y cuyas partículas varían entre 2 mm y 0.05 mm de diámetro. El origen de las arenas es semejante a las gravas: las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de rio contiene a menudo proporciones relativamente grandes de grava y de arcilla. Las arenas estando limpias no se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprime casi de manera instantánea. Tanto las gravas como las arenas se dividen en cuatro grupos (GW, GP, GM, GC) y (SW, SP, SM, SC), respectivamente. En el símbolo GW, el prefijo G (gravel) se refiere a las gravas y W (Well graded) quiere decir bien gradado. De igual modo, el símbolo GP indica gravas pobremente o mal gradadas, el símbolo GM indica gravas limosas. Asimismo, los símbolos SW, SP, SM y SC indican arenas bien gradadas, arenas mal gradadas, arenas limosas y arenas arcillosas respectivamente. 2.5.2 Suelos finos. En lo suelos finos el sistema unificado los considera agrupados en tres grupos para los limos y arcillas con límite líquido menor de 50%, en tres grupos para los limos y arcillas con límite mayor de 50% y en grupo para suelos finos altamente orgánicos. Si el límite líquido del suelo es menor de 50%, es decir, si el suelo es de compresibilidad baja o media, se añade el sufijo L a los prefijos M, C y O, obteniéndose de ese modo los símbolos ML (limos inorgánicos de baja compresibilidad) y CL (arcillas inorgánicas de baja compresibilidad) y OL (limos orgánicos de baja compresibilidad). Si el límite líquido es mayor de 50% es decir, si el suelo es de compresibilidad alta, se añade el sufijo H a los prefijos M, C y O, obteniéndose así los símbolos MH (limos orgánicos de alta compresibilidad), CH (arcillas inorgánicas de alta compresibilidad) y OH (arcillas orgánicas de alta compresibilidad). 2.5.2.1. Limos. Los limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, el diámetro de las partículas está comprendido entre 0.05 mm y 0.005 mm; su color varía desde gris claro a muy oscuro. La permeabilidad de los limos orgánicos es muy baja y su compresibilidad es muy alta. Además, de no encontrarse en estado denso, a menudo son considerados como suelos pobres para cimentar. Por lo tanto, los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para uso ingenieril. 2.5.2.2. Arcilla orgánica. Es un suelo que es clasificado como arcilla o limo, excepto que su límite líquido después de secado al horno es menor que el 75% de. 30.

(31) este valor antes de ser secado, pues es una arcilla o limo, que contienen un alto contenido de materia orgánica como para influir en las propiedades del suelo. 2.5.2.3. Turba. Está compuesto principalmente de materia vegetal en descomposición su color varía entre marrón oscuro a negro, su consistencia esponjosa con textura fibrosa y amorfa. Junto a estos tipos de suelos se encuentran las arcillas, suelo en el que se centra el estudio, por lo tanto, se desarrollara todo un capitulo referente a sus características. 2.6. SUELOS EXPANSIVOS. A la hora de definir un suelo expansivo cada autor tiene diferentes opiniones, a continuación, se utilizará la definición de Beltrán M, de 1991. “Un suelo expansivo puede definirse, como un tipo de suelo que se hincha y contrae causando daños, frecuentemente presenta un contenido coloidal alto, con valores altos de límite líquido, altos índices de plasticidad y de actividad. Pueden ser de origen variado, duros en estado seco, pero se vuelven blandos cuando se les permite absorber agua y pueden ejercer grandes presiones de expansión. La permeabilidad es muy baja salvo cuando e suelo esta fisurado, seco y el agua puede circular por las grietas abiertas” (Rincon, y otros, 2010). Es importante tener claro que la expansión en los suelos es uno de los principales factores que causan daños en las cimentaciones, tales como los asentamientos diferencias. Por tal motivo, la presencia de estos suelos en lugares es un verdadero dolor de cabeza, ya que se debe realizar una cimentación más profunda o grande, generando un sobrecosto en la ejecución de obras. En Colombia, existen depósitos de suelos arcillosos expansivos que tienen alta capacidad de absorción de agua, y, por lo tanto, generan grandes cambios volumétricos; a estos suelos se es denomina suelos activos. Otro problema que presentan los suelos expansivos es la actividad en épocas de lluvias, esta actividad se conoce con el nombre de tipo estacionario, ya que su ocurrencia depende de la temporada por la cual se está pasando. De tal manera, es preciso decir que la expansión es menor en zonas áridas y en épocas secas; debido a que es controlada por la vegetación, que absorbe el agua subterránea. El verdadero problema se centra en temporadas lluviosas, porqué el suelo absorbe gran cantidad de agua y las plantas no son capaces de absorber el exceso de contenido de humedad. Por lo tanto, se generan cambios volumétricos elevados en temporada de lluvias. Otro problema que ocurre generalmente en las calles es la generación de hundimientos en lugares cercanos a árboles, este suceso ocurre a causa de largas temporadas secas; ya que los arboles absorben el agua que está. 31.

(32) contenida por el suelo y a su vez el suelo presenta un cambio volumétrico o hundimientos. El grado de expansión de estos suelos depende del tipo de minerales arcillosos activos, que son los causantes de la atracción de agua. Estos minerales se caracterizan por tener partículas de tamaños muy pequeños, grandes superficies específicas y cargas eléctricas desbalanceadas. El mineral arcilloso más activo es la montmorillonita (Casadiegos, 2010). 2.7. ENSAYOS COMUNES DE CARACTERIZACIÓN DE ARCILLAS. Los ensayos de laboratorio se realizan con el propósito de determinar las características geotécnicas del suelo estudiado. Estos ensayos se elaboran sobre las muestras previamente obtenidas y dependiendo del tipo de ensayo, se determinan diferentes características de éste. 2.7.1 Análisis granulométrico por medio del hidrómetro. Este ensayo determina cuantitativamente la distribución de los tamaños de las partículas de un suelo. El ensayo se debe realizar exclusivamente a tamaños inferiores a 75 m o el porcentaje de material que pasa el tamiz N° 200, el procedimiento de este ensayo está determinado por la norma I. N.V. E –124 - 13 “análisis granulométrico por medio del hidrómetro” (NORMA INVIAS, 2013). En el caso del proyecto investigativo se realizará para caracterizar los dos tipos de arcillas (bentonitas y caolinitas). Este ensayo se basado en el principio de sedimentación de granos de suelo en agua. Cuando una muestra de suelos se sedimenta en el agua, las partículas que se encuentran en movimiento se van asentando a diferentes velocidades debido a sus formas, tamaños y pesos. Por simplicidad, se supone que todas las partículas de los suelos son esferas y que la velocidad de las partículas se expresa por la ley de Stokes (Villalaz, 2004). 2.7.2 Límites de Atterberg Originalmente Albert Atterberg definió seis “límites de consistencias” para los suelos finos, pero en el uso actual de la ingeniería el termino se aplica solamente a los límites líquido y plástico de los suelos, que más comúnmente son conocidos como límites de Atterberg estos límites dividen diferentes estados de consistencia de los suelos plásticos (NORMA INVIAS, 2013). También conocidos como límites de consistencia y son aplicables solamente a material fino, se definen según Albert Mauritz Atterberg como: “Fases generales por las que pasa el suelo al irse secando y no existen criterios estrictos para distinguir sus fronteras”.. 32.

(33) En los suelos según el contenido de agua se presentan cuatro estados básicos que definen el comportamiento del suelo, denominados: solidos, semisólido plástico y líquido (Das, 1999). 2.7.2.1. Límite de plástico (PL). INV E-126-13: límite plástico e índice de plasticidad de los suelos. El límite plástico es el contenido de agua del suelo, expresado en porcentaje, n otras palabras, es cuando el suelo pasa de un estado semisólido a un estado sólido y se contrae al perder humedad. En este en ensayo se obtiene el contenido más bajo de agua (porcentaje) con el cual el suelo al hacer rollitos de diámetro 3,2 mm, se desmorona. La norma I.N.V.E – 126 – 13 “Límite plástico e índice de plasticidad de suelos”, específica el procedimiento para determinar el índice de plasticidad (PI). Después de seguir el procedimiento descrito en la norma se determina el límite pastico de la siguiente manera: 𝑃𝐼 = 𝐿𝐿 − 𝑃𝐿. [1]. Donde, el límite plástico se calcula de la siguiente manera:. 𝑃𝐿 =. 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑎𝑙 ℎ𝑜𝑟𝑛𝑜. ∗ 100. [2]. 2.7.2.2. Límite de Líquido (LL). INV E-125-13: determinación del límite líquido de los suelos. Es el límite en el cual el suelo pasa de un estado plástico a un estado líquido. La determinación del límite líquido interviene en varios sistemas de clasificación de suelos dado que contribuye en la caracterización de la facción fina de los suelos. El límite líquido, solo o en conjunto con el límite plástico y el índice de plasticidad, se usa con otras propiedades del suelo para establecer correlaciones sobre su comportamiento, los procesos de expansión y contracción y la resistencia al corte (INVIAS , 2007). Donde se obtiene el contenido de agua en porcentaje requerido para cerrar una ranura de 12,7 mm a lo largo del fondo de la ranura a los 25 golpes. Casagrande (1932) concluyo que cada golpe a un dispositivo estándar para límite líquido equivale a una resistencia cortante del suelo de aproximadamente 1 gr/cm 2 (Das, 1999). La Norma I.N.V.E – 125 - 13 “Determinación del Límite Líquido de los suelos” explica como determinar este límite (NORMA INVIAS, 2013).. 33.

(34) 2.7.2.3. Índice de plasticidad. “Es el rango de contenidos de agua, dentro del cual un suelo se comporta plásticamente, numéricamente, es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico” (NORMA INVIAS, 2013). Este límite muestra el margen de contenidos de agua en que es trabajable una arcilla al resultar un valor alto se dice que es “más plástica”, si tiene un índice de plasticidad superior. 2.7.3. Gravedad específica.. INV E-128-13: determinación de la gravedad específica de las partículas de los suelos. Es la relación entre la masa de un cierto volumen de solidos a una temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a igual temperatura. La temperatura generalmente usada como referencia es 20°C (NORMA INVIAS, 2013). El valor de la gravedad específica radica su importancia en el cálculo de la relación de vacíos de un suelo ya que es necesaria para poder hallarla, además de servir para hacer el análisis hidrométrico, se usa en el ensayo de compactación proctor para graficar la recta de saturación máxima. 2.7.4 Método de adsorción de agua. El método de adsorción de agua es un método de fácil realización y bajo costo que se puede ejecutar en cualquier laboratorio que cuente con los elementos básicos. Para el desarrollo del ensayo, las muestras de arcillas obtenidas deben ser sometidas a un proceso de secado en un horno a varias temperaturas durante 24 horas. Posteriormente son expuestas a una atmósfera saturada de agua por tiempo indefinido. Durante ese periodo de tiempo se determina gravimétricamente el peso cada 24 horas hasta obtener constancia. Ahora, conociendo el valor del peso seco de las muestras se determina el valor de adsorción de agua y se transforma en valor de superficie específica, considerando el área de la molécula de agua es de 0,106nm2 (Lombardi, y otros, 2001).. 34.