Características arcillas expansivas

En este artículo hablaremos de las arcillas expansivas, como identificarlas y clasificarlas, las patologías que producen y las posibles soluciones en las distintas obras de la ingeniería geotécnica.

Definición expansividad

El término de expansividad puede definirse como la capacidad de un suelo de experimentar cambios volumétricos o de generar presión (si el suelo está confinado) al modificarse las condiciones de humedad. En general el fenómeno de la expansividad está asociado a algunos tipos de arcillas, especialmente las montmorillonitas, que modifican su estructura al adsorber agua u otros líquidos. Del mismo modo, también puede producirse la retracción del suelo expansivo al desecarse o liberarse el agua contenida en él.

Hay otros tipos de terrenos que pueden producir expansividad como algunas rocas evaporíticas con anhidrita o algunos tipos de pizarras de bajo grado de metamorfismo pero ellos están fuera del alcance este artículo. Solo nos referiremos a la expansividad generada por los suelos arcillosos.

Identificación arcillas expansivas

Los terrenos expansivos presentan unas características peculiares que permiten reconocerlos en campo. Los principales indicios que permiten reconocer o identificar este tipo de terreno se han resumido en el siguiente listado:

• Suelos de colores verdosos, azulados o grisáceos y textura satinada en corte fresco.
• Suelen producir un barro muy pegajoso en manos y calzado.
• Si la arcilla está húmeda se moldea con facilidad (pueden hacerse con la mano rollitos muy finos sin que se cuartee la arcilla).
• Arcillas muy resistentes al tacto en condiciones secas.
• En verano, el suelo presenta numerosas grietas poligonales muy abiertas y profundas.
• Colinas y cerros con superficies suaves, los desmontes suelen estar muy alterados y degradados.

Además de las técnicas de campo pueden considerarse dos formas de identificar los suelos expansivos:

Técnicas indirectas determinación expansividad

Son técnicas o ensayos que identifican la mineralogía de las arcillas o los parámetros como la composición, textura o comportamiento del suelo.

Entre los ensayos más comunes y habituales podemos destacar los límites de Atterberg y más concrétamente el límite líquido e índice de plasticidad. También son frecuentes los parámetros asociados, como el límite de retracción o la actividad de la arcilla. Puedes calcularlos en el enlace caracterización arcillas.

Igualmente, el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos y la clasificación AASHTO permiten una primera aproximación puesto que los suelos expansivos suelen clasificarse como CH o MH en la primera clasificación y como los A-6 y A.7 en la segunda.

Otro método, aunque menos común, debido a su coste y dificultad de realización es la difracción de rayos X que permite la determinación de los distintos minerales con los que está compuesto el terreno. Así de este modo podemos distinguir claramente los distintos tipos de arcillas expansivas. De mayor a menor potencial expansivo se encuentran las montmorillonitas sódicas, montmorillonitas cálcicas, vermiculitas, illitas y por última las caolinitas.

De forma indirecta, también el contenido en humedad y el grado de saturación nos puede indicar si un suelo es potencialmente expansivo o no puesto que los suelos saturados difícilmente pueden hincharse más. No obstante, hay que tener precaución en el sentido de que si la arcilla se deseca si puede sufrir procesos de retracción.

Técnicas directas determinación expansividad

Son ensayos que están basado en la medición del hinchamiento del suelo expansivo o la presión necesaria para impedir este hinchamiento. Cabe comentar tres ensayos principales.

Ensayo Lambe

Mide el cambio potencial de volumen y el índice de hinchamiento. Se realiza sobre muestras remoldeadas que han pasado por el tamiz ASTM nº10. Por tanto, solo toma la fracción fina de la muestra y destruye la estructura original de la arcilla expansiva además de que no tiene en cuenta la humedad natural. Este ensayo puede realizarse con la humedad correspondientes a las condiciones de compactación o a la del límite plástico.

En mi opinión personal, no recomiendo hacerlo puesto que la diferencia en precio con los ensayos edométricos es mínima y puesto que se realiza sobre muestras remoldeadas, sus resultados pueden no son concluyentes.

Ensayo de hinchamiento libre en edómetro

El ensayo mide el hinchamiento vertical que se produce en el edómetro bajo una presión de 1 t/m² y acceso libre de agua. Al contrario que en el ensayo Lambe, se realiza sobre una muestra inalterada por lo que los resultados suelen ser más fiables. Es ampliamente utilizado en la clasificación de terrenos para la construcción de terraplenes.

Ensayo de presión de hinchamiento en edómetro

Similar al anterior, pero en lugar de medir el cambio de volumen experimentado por la pastilla del edómetro, se mide la presión necesaria para impedir este aumento de volumen. Se utiliza frecuentemente en la determinación de la expansividad en estudios geotécnicos de cimentaciones.

La expansividad de suelos remoldeados también puede medirse en el ensayo CBR pero solo a título orientativo. Para cuantificar la expansividad es mejor recurrir a los ensayos anteriores.

Clasificación arcillas expansivas

Existe numerosa bibliografía para cuantificar la expansividad en función de los parámetros indirectos y directos comentados en los apartados anteriores. Por ello, a continuación, se presentan en tablas las clasificaciones de suelos expansivos más reconocidas y frecuentes:

Expansividad	Límite de retracción	IP	WL	%#200	%<0,001 mm	Actividad (Skempton mod.)	Potencial hinchamiento (Seed %)	Índice Lambe (Kg/cm2)	Presión hinchamiento probable (kg/cm2)	Hinchamiento probable superficie (cm) (McDowell)	% hinchamiento probable
Baja	>15	<18	<30	<30	<15	<0,5	0-1,5	<0,8	<0,3	0-1	<1
Media	12-16	15-28	30-40	30-60	13-23	0,5-0,7	1,5-5,0	0,8-1,5	0,3-1,2	1-3	1-5
Alta	8-12	25-40	40-60	60-95	20-30	0,7-1,0	5-25	1,5-2,3	1,2-3,0	3-7	3-10
Muy alta	<10	>35	>60	>95	>30	>1,0	>25	>2,3	>3,0	>7	>10

Criterios de expansividad (Recopilados por R. Ortiz, 1975) 2ª

Grado	Expansividad	Finos (%)	Límite Líquido	Índice PVC Lambe (kPa)	Presión de hinch (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

Grados de expansividad y valores medios de parámetros geotécnicos. González de Vallejo (2002).

Grado de expansión	% Pasa por Tamiz 200	Límite líquido	S.P.T.	Expansión Probable %	Presión de Hinchamiento
Muy alto	>95	>60	>30	>10	>10
Alto	60-95	40-60	20-30	3-10	2,5-10
Medio	30-60	30-40	10-20	1-5	1,5-2,5
Bajo	<30	<30	<10	<1	<0,5

Grado de expansión. Chen, 1988.

Grado de expansión	Contenido Coloidal %<0,001mm	Índice de Plasticidad	Límite de Retracción	Expansión probable, % total de cambio de volumen
Muy alto	>28	>35	>11	>30
Alto	20-13	25-41	7-12	20-30
Medio	13-23	15-28	10-16	10-30
bajo	<15	<18	<15	<10

Grado de expansión. Método USBR. Holtz y Gibbs (1956).

Patologías suelos expansivos

En las áreas donde se localizan arcillas expansivas y el clima presenta variaciones estacionales importantes con periodos lluviosos que se alternan con periodos secos se puede producir el fenómeno de la expansividad. En la estación húmeda el agua penetra en la estructura de las arcillas incrementándose el volumen aparente, por el contrario, en la estación seca, el agua sale de la estructura debido a la desecación de éstas y como consiguiente se produce una reducción en el volumen del suelo. Además de por los cambios estacionales, el fenómeno de la expansividad también se puede originar por la subida del nivel freático, rotura de saneamientos, desecación debida a altas temperaturas (hornos), etc.

Este cambio de volumen (contracción y expansión) de los suelos arcillosos puede provocar numerosas patologías entre las que cabe destacar:

• Distorsiones en estructuras y por tanto agrietamiento y rotura de las mimas.
• Degradación e inestabilidad de taludes y laderas naturales.
• Roturas de saneamientos y conducciones enterradas.
• Agrietamiento y roturas en muros y pantallas.
• Inestabilidades, agrietamiento y abombamiento de terraplenes

Soluciones constructivas en arcillas expansivas

Las cimentaciones de estructuras en arcillas expansivas se suelen solventar con pozos de hormigón ciclópeo cimentados por debajo de la capa activa del terreno expansivo, mediante pilotes y micropilotes aislados del terreno expansivo en estructuras tipo palafito, o cimentación con losa armadas previa sustitución del terreno infrayacente con terreno granular.

Los terraplenes de obras lineales no suelen construirse con este tipo de materiales debido precisamente a su poder expansivo, no obstante, en zonas de déficit de material se recurre a mezclas con cal o cemento previos estudios especiales de comportamiento de los terraplenes. Igualmente, en los desmontes o trincheras suelen funcionar adecuadamente las inclinaciones muy suaves y la protección del talud con mantos de rocas y la protección del pie con repies o gaviones de escollera.

¿Conoces alguna patología en arcillas expansivas u otras soluciones en arcillas expansivas? Cuéntanos en los comentarios tu problemática y cómo lo resolviste.