ME GUSTARÍA CONOCERTE UN POCO MÁS QUERIDA “ARCILLA”: ¿CUÁL ES TU SUPERFICIE ESPECÍFICA? #EL SUELO ES ALGO MÁS DE LO QUE PISAMOS

Un fuerte abrazo a la comunidad científica que hace vida en la plataforma de HIVE BLOG, en especial a STEM-ESPANOL, en la cual desarrollo el rol de colaborador del área de Ingeniería. Como ya se habrán dado cuenta queridos lectores, el título de la publicación enunciado de un modo figurado, busca conocer a un suelo de mucho interés en la geotecnia como lo son las “Arcillas” y al mismo tiempo manifiesta mi deseo de presentar las ideas de forma didáctica, para que el conocimiento trascienda más allá de los estudiantes y profesionales en esta área, por supuesto manteniendo el enfoque científico en la exposición de las ideas. Así que disfruta de esta publicación, realizada con mucho cariño y esfuerzo.

INTRODUCCIÓN

Bajo esa premisa de que el suelo es algo más de lo que pisamos, he realizado varias publicaciones que enfatizan este hecho. En esta oportunidad continúo abordando a ese suelo tan especial como lo son las “Arcillas”, por lo complejo de su comportamiento en presencia de agua, y cómo el mismo puede influir perjudicialmente en las estructuras que se encuentran allí fundadas; es así, como en las referencia N°04 y N°05 estudiamos las técnicas para determinar la cantidad de coloides y la plasticidad respectivamente; ahora con esta pregunta, pretendemos seguir avanzando en el conocimiento de nuestra querida “Arcilla”:¿cuál es tu superficie específica?
Imagen N°01: una visión global de los contenidos a estudiar

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes resaltadas en recuadros de color “negro” fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000. La imagen resaltada en color “rojo” fue facilitada por el compañero @carloserp-2000 y corresponde a un difractómetro marca Bruker, modelo D8 Focus del Laboratorio LEMIN, de la Facultad Experimental de Ciencias, LUZ, Venezuela.

Conocer la superficie específica de la arcilla, representa una base para predecir comportamientos más complejos como por ejemplo el nivel de expansión que esta pueda desarrollar en presencia de agua. En este artículo compartiré con ustedes mi experiencia en el laboratorio de Mecánica de Suelos en la determinación práctica de esta propiedad a través de ensayos de rutina.

DELIMITACIÓN DE LA TEMÁTICA A ESTUDIAR Y ASPECTOS CONCEPTUALES DE IMPORTANCIA

El estudio de la superficie específica como propiedad índice de la arcilla, abre las puertas a la constitución mineralógica de este suelo, un tema realmente extenso que puede abarcar desde técnicas de refracción de rayos X (imagen N°01) hasta ensayos de rutina; no obstante el alcance de esta publicación se enfoca en la aplicación práctica del ensayo azul de metileno según la norma venezolana COVENIN 3548:99, a través del cual se obtiene la superficie específica de este suelo, y la interpretación de esta propiedad permite deducir el tipo de mineral constituyente. Para tal fin, utilizaré tablas referenciales que en mi recorrido por los laboratorios de suelo en Venezuela son utilizadas (ver imagen N°03), y que en líneas generales se ajustan al patrón de clasificación señalado en la referencia N°02, donde se hace mención a los minerales más importantes que constituyen la arcilla con su respectivo valor de superficie específica, es decir: ilita (15 m2/gr), caolinita (80 m2/gr) y montmorillonita (800 m2/gr). Para el cálculo del valor de superficie específica, utilizaré esta expresión simplificada:

Dónde el término resaltado en color “azul”, se conoce como “valor azul”. El cuál es obtenido del cociente de dividir el volumen de azul de metileno “V” en “cm3” usado en el ensayo y la masa de la muestra “M” en “gr”.

Los aspectos técnicos que orientan el desarrollo del ensayo azul de metileno para obtener los datos mencionados son abordados didácticamente en el recurso audio-visual N°01. Por lo que ahora concierne, vamos a estudiar las simplificaciones realizadas para llegar a la ecuación N°01. En ese sentido, la cantidad de moles “Mo” se obtiene por medio de la siguiente expresión:

En la determinación del número de moléculas “N” usamos el famoso número de Avogadro:

Sustituimos la ecuación N°03 en la N°04:

Finalmente para obtener la superficie específica (m2/gr) aplicamos esta ecuación:

Al sustituir la ecuación N°05 en la N°06 obtenemos:

Ahora bien, vale destacar que el trasfondo químico de estas ecuaciones se escapa del alcance de esta publicación. No obstante es una invitación para los químicos de la comunidad para profundizar en las mismas. Estoy a la orden para aportar mis conocimientos en cuanto a la Mecánica de Suelos se refiere. Una vez debatido estos aspectos conceptuales que permiten delimitar la temática de estudio, tenemos que el objetivo general de la publicación es: comprender el concepto de superficie específica y la importancia del mismo en la predicción de los niveles de expansión de una arcilla. Los pasos que nos orientarán hacia esa meta son:

Objetivos Específicos:

1.- Estudiar de forma didáctica el concepto de la superficie específica.

2.-Estudiar los aspectos que rigen la obtención de la superficie específica en un laboratorio de Mecánica de Suelos.

3.- Estudiar el mineral de arcilla en base al valor de superficie específica obtenido en laboratorio.

Cada uno de los objetivos específicos señalados, representan los tópicos en los que se estructura esta publicación.

ESTUDIO DE FORMA DIDÁCTICA DEL CONCEPTO DE SUPERFICIE ESPECÍFICA

Basados en la referencia N°02, la superficie específica es el área superficial por masa unitaria, de allí la unidad con la que vamos a estar trabajando esta propiedad índice de los suelos, es decir, en metros cuadrados por gramo “m2/gr”.

@eliaschess333 ¿a que se refiere la masa unitaria?

¿Significa @eliaschess333 que esa área superficial está referida a un conjunto de partículas?

Conjunto de partículas que en realidad tienen una estructura laminar, lo que magnifica el área superficial de las mismas. Por ejemplo, la montmorillonita tiene una superficie específica de "800 m2/gr", esto significa que si a ese grupo de partículas que constituye esa masa unitaria, hipotéticamente las pudiésemos desdoblar en sus láminas constituyentes, abarcaríamos un área superficial de "800 m2", lo cual equivale al área de varias canchas de tenis.

Y esa área superficial @eliaschess333 ¿cómo va a influir? ¿Puedes explicármelo con ejemplos cotidianos?

Esa área superficial es un indicativo del nivel de interacción que va a tener ese suelo con el entorno, representando el mismo por el agua. De allí a que las arcillas con este tipo de mineral sean las más vulnerables a sufrir expansión en interacción con esta última, dando lugar a las arcillas potencialmente expansivas. Para abordar el concepto en términos cotidianos te invito a analizar el siguiente esquema conceptual:

Imagen N°02: estudio didáctico del concepto de superficie específica

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes resaltadas en recuadros de color “negro” fueron capturadas con mi dispositivo Redmi 7A.

Tal como se aprecia en la imagen N°02, en ese maravillo arte que representa cocinar, a los ingredientes responsables del sabor, como por ejemplo, el ajo y la cebolla, necesitamos darle cierta área superficial para que su sabor invada con mayor facilidad la comida que deseamos preparar; esto se logra picándolos en pequeños trozos, es decir, de forma intencional incrementamos su superficie específica. Eso se traduce en el campo de la mecánica de suelos, al hecho de que mientras más pequeñas sean las partículas de este, mayor será su superficie específica, de allí a que este tema cobre especial importancia en las arcillas, cuyo tamaño de partículas, tal como se indicó anteriormente, es menor a “0.002 mm”.

ESTUDIO DE LOS ASPECTOS QUE RIGEN LA OBTENCIÓN DE LA SUPERFICIE ESPECÍFICA EN UN LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS

Este tópico se desarrolla a través del siguiente recurso audiovisual, donde se explica de forma didáctica la aplicación de la norma COVENIN 3548:1999 en pro de la determinación de la superficie específica de la arcilla, nuestro suelo de interés.

Video N°01: obtención de la superficie específica en laboratorio

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: video elaborado por el autor con ayuda de las herramientas computacionales Camtasia Studio 8, Adobe Audition 3.0. Los esquemas conceptuales que se presentan fueron elaborados por el autor con las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint

ESTUDIO DEL MINERAL DE ARCILLA EN BASE AL VALOR DE SUPERFICIE ESPECÍFICA OBTENIDO EN LABORATORIO

Para tal fin tomemos como referencia el esquema conceptual de la imagen N°03, el cuál al mismo tiempo permite reforzar las ideas expuestas en el video N°01.

Imagen N°03: determinación del tipo de mineral de arcilla

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes resaltadas en recuadros de color “negro” fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000.

Se tiene que el valor de superficie específica es proporcional a la cantidad de azul de metileno absorbido en el proceso de titulación hasta lograr la saturación de la solución, lo que conocemos como reacción positiva (+) y permanencia (ver imagen N°03). Determinada la cantidad de azul absorbida (V), el cálculo de la superficie específica es realmente sencillo, mediante el uso de las ecuaciones N°02 y N°01. En ese sentido, las tablas que se muestran en la imagen N°03, están constituidas por valores referenciales de superficie específica en (m2/gr), a partir de las cuales podemos determinar el tipo de arcilla en base al mineral constituyente.

@eliaschess333 y ¿por qué colocas dos tablas referenciales?

La razón es porque en los laboratorios donde tuve la oportunidad de desarrollar este ensayo, tales como el laboratorio de suelos de la UNEFM (Coro, Venezuela) y el laboratorio de Centeno-Rodríguez y Asociados (Caracas, Venezuela), en cada uno se utiliza una tabla en particular; lo que redunda en la importancia del criterio y experiencia del laboratorista e ingeniero civil en la interpretación de las resultados.

@eliaschess333 y ¿cuál tabla vamos a utilizar?

Podemos utilizar cualquiera de las dos, ya que ambas siguen el patrón referencial en torno a los minerales de arcillas más importantes, según la referencia N°02. Y en líneas generales, si la superficie específica de la arcilla que estamos estudiando es mayor a “200 m2/gr”, ya debe significar un llamado de atención para la posible actividad expansiva de ese suelo, lo cual se puede convertir en un problema si no se toman las precauciones necesarias antes de fundar en el mismo. El caso crítico, es cuando se tiene presencia de valores de superficie específica en el orden de "800 m2/gr", dado que este mineral representado por la montmorillonita es el más inestable en presencia de agua, a tal punto, que la referencia N°03 generaliza que las arcillas expansivas están constituidas de montmorillonita. Es interesante como en la tabla utilizada en el laboratorio de Centeno-Rodríguez y Asociados se señalan dos tipos de montmorillonita. Profundizar en estos aspectos de carácter físico-químico se escapa del alcance de la publicación, pero en líneas generales se tiene que las arcillas de mineral montmorillonita con “Na++” como catión predominante, son más instables en presencia de agua que las que poseen el catión “Ca++”, de allí a que el valor más alto de superficie específica le corresponda a la primera.

En líneas generales, podemos notar que ambas tablas se pueden complementar en el proceso de interpretación de resultados, donde se demuestra que no todas las arcillas son perjudiciales desde el punto de vista del problema de la expansión en interacción con el agua, como el caso de las arcillas con mineral “Caolinita”. Así que en las primeras de cambio no debemos alarmarnos por la presencia de arcillas en el suelo donde deseamos construir, vamos a darle la oportunidad de conocerlo. En el caso de resultar potencialmente expansivo, existen métodos de estabilización. De allí lo necesario de promover una Cultura Geotécnica, sobre la importancia de los Estudios de Suelos, y espero con este artículo contribuir para ese fin.

CONCLUSIONES

No hay duda de que el suelo es algo más de lo que pisamos. Hemos dedicado esta publicación a abordar el tema de la superficie específica de las arcillas, presentando las ideas de una forma didáctica para que no sólo estudiantes y profesionales afines las comprendan, sino también público en general de la comunidad de HIVE BLOG que sienta curiosidad en estudiar el tema, dado que todas las estructuras están fundadas sobre el suelo y no está demás conocer su comportamiento. Las conclusiones de mayor importancia en esta publicación son las siguientes:

01.- La mineralogía de las arcillas sin lugar a dudas que es un campo de conocimiento que invita a la transdisciplinariedad, donde como Ingenieros Civiles nos valemos del aporte del área de la Química, para obtener ecuaciones prácticas que puedan ser utilizadas en la rutina del laboratorio de Mecánica de Suelos, tal como es el caso de la ecuación N°01.

02.- El estudio de la superficie específica como propiedad índice, es un primer acercamiento al conocimiento del suelo en cuestión, lo que resulta de gran utilidad, dado que a partir de allí se pueden inferir comportamientos más complejos, tal como se demostró en la temática en estudio. Es decir, mientras mayor superficie específica, mayor es la actividad expansiva.

03.-A través de la interpretación de la superficie específica de la arcilla, podemos tener una noción cualitativa de los niveles de expansión de la misma, destacando que el caso de presencia de montmorillonita es el más agudo. Ahora bien, esto debe complementarse con ensayos mecánicos que permitan cuantificar esa expansión en términos de presión de expansión, dato de suma importancia en el diseño de cimentaciones sobre este suelo. Sobre los ensayos en el laboratorio de suelos que permiten obtener esta información, estaré escribiendo en una próxima entrega.

04.- Tal como se apreció en el recurso audio-visual N°01, el desarrollo del ensayo Azul de Metileno en base a la norma COVENIN 3548:1999 es realmente sencillo de ejecutar, por lo que es importante promover su uso. Y acá quiero hacer una reflexión, es decir, muchas veces el suelo se subestima, y no se le da atención al estudio del mismo, unas por desconocimiento de lo importante de este hecho, y otras por considerarlo costoso; y luego vienen las consecuencias, como por ejemplo, en el caso de una edificación liviana que haya sido fundada en un suelo expansivo, al ocurrir este fenómeno la edificación en cuestión comenzará a agrietarse. Hecho que se pudo evitar conociendo las características del suelo donde se va a fundar y tomando las medidas necesarias.

Espero este post haya sido de tu agrado, nos leemos en una próxima oportunidad.

FUENTES DE INFORMACIÓN CONSULTADAS

01.-NORMA VENEZOLANA “COVENIN 3548:1999”

02.-BRAJA M. DAS. 2001. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA. THOMSON LEARNING

03.- BELTRÁN 2009. DISEÑO GEOTÉCNCO Y ESTRUCTURAL DE UNA CIMENTACIÓN EN ARCILLA EXPANSIVA. TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAESTRO DE INGENIERÍA. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO.

LECTURAS RECOMENDADAS

04.-eliaschess333 (2018). INICIACIÓN AL ESTUDIO DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS, POR MEDIO DE LA ESTIMACIÓN DE LA CANTIDAD DE COLOIDES. Disponible en: https://hive.blog/stem-espanol/@eliaschess333/iniciacion-al-estudio-de-las-arcillas-expansivas-por-medio-de-la-estimacion-de-la-cantidad-de-coloides

05.- eliaschess333 (2018). ABORDAJE DIDÁCTICO DEL CONCEPTO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS. APLICACIONES PRÁCTICAS DESDE EL ENFOQUE DE LA INGENIERÍA GEOTÉCNCA. Disponible en: https://hive.blog/stem-espanol/@eliaschess333/abordaje-didactico-del-concepto-de-plasticidad-de-los-suelos-aplicaciones-practicas-desde-el-enfoque-de-la-ingenieria-geotecnica

Usemos y difundamos el uso de nuestra Dapp. Nosotros como escritores sobre Ciencia y temas afines, podemos contribuir con ese cometido. Así que anímate y publica desde la Dapp de steemstem-io.

Nota aclaratoria: la imagen es una captura de pantalla del portal: https://stem.openhive.network/#!/@eliaschess333