Las arcillas expansivas son posiblemente el material más problemático en ingeniería civil, geotecnia e ingeniería geológica, es por eso, que su estudio en mecánica de suelos y geotecnia es necesario para lograr que las obras de ingeniería civil no sufran daños con el pasar del tiempo.
¿Qué son las arcillas expansivas?
Las arcillas expansivas son aquellas que conforman los suelos arcillosos, donde el tamaño de las partículas es inferior a 2 micras, y se caracterizan por la capacidad que de expansión (aumento de volumen) cuando absorben agua o retracción (disminución de volumen) cuando baja la humedad.
Tipos de arcillas expansivas
En general todo tipo de arcillas, tienen alta capacidad de retención de agua, sin embargo existen cierto tipo de arcillas que por su composición y comportamiento son las más problemáticas, algunas son:
- Las arcillas esmectitas
- Las arcillas montmorillonitas
¿Que problemas ocasionan las arcillas expansivas?
El cambio de volumen en las arcillas expansivas, no es uniforme y no es constante, además responden a las condiciones físicas, ambientas y esfuerzos que muchas veces no se puede predecir.
Sin embargo los problemas más comunes que causan en obras de ingeniería civil son:
- Generación de grietas en varias direcciones debido al asentamiento (retracción) o expansión de las arcillas.
- Rotura de los elementos estructurales de una obra de construcción.
- Deformación y rotura de los elementos de cimentación.
Expansividad y retracción del suelo
La expansividad y retracción del suelo es característico en suelos del tipo arcilloso y es controlada por la variación de humedad en el suelo (variación de la cantidad de agua en el suelo).
La expansividad se relaciona con la cantidad de arcilla en el suelo, por lo que se emplea parámetros de caracterización de arcillas para estimar la posible expansividad de un suelo. Para ellos se considera cuatro grados de expansividad (I a IV), que además se relaciona con el contenido de finos y límite líquido.
| Grado de expansividad y valores medios de parámetros geotécnicos | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Grado | Expansividad | Finos (%) | Límite líquido | Índice Lambe (KPa) | Presión de hinchamiento (KPa) | Hinchamiento libre (%) |
| I | Baja | <30 | <35 | <80 | <25 | <1 |
| II | Baja a Media | 30-60 | 35-50 | 80-150 | 25-125 | 1-4 |
| III | Media a Alta | 60-95 | 50-65 | 150-230 | 125-300 | 4-10 |
| IV | Muy alta | >95 | >65 | >230 | >300 | >10 |
¿Qué es la expansividad del suelo?
La expansividad del suelo corresponde al aumento de volumen que ocupa el material que conforma el suelo, causado por la absorción de agua (retención de agua en los poros), esta propiedad es característica de las arcillas expansivas.
La expansividad sucede cuando las moléculas de agua quedan atrapadas en la red cristalina, entre las cadenas de silicatos de las arcillas que se encuentran unidos por enlaces débiles, pasando a ocupar mayor volumen inicial sin que ocurra reacciones químicas.
¿Qué es la retracción del suelo?
La retracción del suelo corresponde a la disminución del volumen que ocupa el material que conforma el suelo arcilloso, causado por la expulsión de agua.
La retracción del suelo se da por la disminución de la humedad, esto puede ocurrir por la evaporación del agua en el suelo o por drenaje lento y continuo de agua (por las raíces de las plantas, o por infiltración del agua hacia otras capas más profundas del suelo).
En ambos casos la salida del agua de las arcillas expansivas, suele ser lento, esto a largo plazo causa que las estructuras de ingeniería civil (construcción) sufran daños.
Factores que controlan la expansividad y retracción del suelo
La expansividad y retracción de las arcillas expansivas es netamente controlado por el aumento o disminución de la humedad en el suelo (o cantidad de agua que se encuentra en los poros), existen ciertos factores que controlan la humedad del suelo, por lo tanto la expansividad o retracción.
Los factores son:
Condiciones mineralógicas y de fábrica
Las arcillas están compuestas por minerales que tienen una estructura cristalina en forma de láminas, estas láminas se encuentran unidas por enlaces débiles de van der waals, lo que permite que haya bastante espacio entre las partículas de arcillas.
Además estas condiciones le da a las arcillas gran capacidad de almacenar agua (alta porosidad) pero no permite facilidad de circulación del agua.
Las arcillas expansivas además de lo mencionado, suelen tener la capacidad de absorber el agua con mayor facilidad, sin embargo igualmente no permite que el agua circule con la misma facilidad, generando problemas a futuro en las estructuras de ingeniería civil.
Las variaciones climáticas
Es así que en condiciones de lluvia habrá cantidad de agua suficiente para que las arcillas aumenten de volumen y en condiciones secas será la evaporación lo que crea la retracción del suelo.
Las arcillas expansivas son más comunes en zonas áridas, la expansión o retracción va a depender de los cambios climáticos en la zona.
La vegetación
Las raíces de las plantas pueden cambiar la humedad del suelo mientras absorben el agua que se encuentra entre los poros de las arcillas, generando retracción del suelo.
Cambios hidrogeológicos
Las arcillas son materiales poco permeables, sin embargo el agua con el tiempo circula o se infiltra hacia capas más profundas, esto causa retracción del suelo.
La infiltración también se puede dar desde capas superiores a las capas de arcillas expansivas y se crea expansión de la capa.
En ambos casos se produce cambios en el volumen de las capas de arcillas que producen daños en las obras de construcción a lo largo del tiempo.
Ensayos de laboratorio para evaluar la expansividad del suelo
- El ensayo de Lambe, proporciona la presión que ejerce el suelo (remoldeado) al humedecerse en el interior de un molde y reaccionar contra un pistón calibrado.
- El ensayo de presión de hinchamiento, consiste en la máxima presión que presenta una muestra de suelo inalterado (dentro de un molde edométrico) cuando, al humedercerse, se impide su hinchamiento.
- El ensayo de hinchamiento libre, o máxima variación de espesor de una muestra inalterada en un molde edométrico, cuando se humecta y se permite la expansión.
Los valores índice de estos tres ensayos que sirven para fijar el grado de expansividad potencial se incluyen el siguiente cuadro.
| Grado de expansividad y valores medios de parámetros geotécnicos | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Grado | Expansividad | Finos (%) | Límite líquido | Índice Lambe (KPa) | Presión de hinchamiento (KPa) | Hinchamiento libre (%) |
| I | Baja | <30 | <35 | <80 | <25 | <1 |
| II | Baja a Media | 30-60 | 35-50 | 80-150 | 25-125 | 1-4 |
| III | Media a Alta | 60-95 | 50-65 | 150-230 | 125-300 | 4-10 |
| IV | Muy alta | >95 | >65 | >230 | >300 | >10 |
Soy ingeniero geólogo con experiencia y conocimiento en el área de exploración minera, hidrocarburos, evaluación de depósitos minerales metálicos y no metálicos, exploración de piedras preciosas y de metales preciosos, procesamiento de datos geológicos en software especializado y métodos de explotación de recursos naturales.
Además, tengo conocimiento en geología aplicada a la ingeniería geológica, donde se incluye el estudio de suelos, rocas y agua para la construcción de obras de ingeniería civil.