3.1. Selección del suelo y toma de muestras alteradas

Los suelos cohesivos limos o arcillas son de amplia presencia mundial, además predominan como subrasantes de construcción en las vías de Colombia, particularmente en la ciudad de Santiago de Cali, motivo por el cual se eligió este tipo de suelos para el desarrollo de la investigación exploratoria.

Para seleccionar el suelo se consultaron los documentos técnicos disponibles como mapas, fotos y perforaciones previas en la ciudad Santiago de Cali y en algunos municipios cercanos. También se consultó el Informe No.4 del estudio de la microzonificación sísmica de Cali (MZSC) referente a “Investigaciones y zonificación geotécnica de la ciudad de Santiago de Cali”, donde se subdivide la ciudad en zonas geotécnicamente homogéneas y se encuentra información como el tipo, la distribución de los materiales, las propiedades índices, la resistencia y la clasificación según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) (13).

Según este informe, la mayoría de los estratos finos comienzan superficialmente entre 0 y 1 m hasta el rango 5 a 10 m en toda el área de estudio, exceptuando zonas como Pance y Navarro en el sur y oriente de la ciudad de Cali respectivamente. Por lo cual se decidió tomar la muestra de un terreno ubicado en el barrio Valle de Lili, de la comuna 17 del sur de la ciudad de Cali.

3.2. Aceite de motor usado (AMU) y mezclas con el suelo

Debido a que la investigación pretendía evaluar el efecto geotécnico de cualquier AMU en un suelo fino típico de subrasante, se obtuvieron aproximadamente 15 litros de este aceite usado en una estación de servicio del sur de la ciudad de Cali, donde eventualmente extraen este residuo del sector automotriz. Para cálculos de ensayos posteriores se determinó la gravedad específica del aceite usado por medio de la norma ASTM D1298 (14). Las características típicas de estos aceites se encuentran en la Tabla 1.

En función de determinar la variación de las propiedades del suelo en presencia de AMU, se realizaron límites de consistencia, ensayos modificados de compactación, resistencia a compresión inconfinada y finalmente se determinó el coeficiente de permeabilidad del suelo natural y del mismo con dosificaciones de 4 %, 8 %, 12 % y 16 % de aceite con base en peso seco del suelo. Para las mezclas, el suelo se secó al horno a 105°C para todos los ensayos, se tamizó por la malla de acuerdo al ensayo que se fuera a ejecutar, siempre siguiendo la normativa del Instituto Nacional de Vías (INVIAS) (15), se dosificó el aceite y se mezcló manualmente hasta obtener una mezcla homogénea de Suelo-AMU.

3.3. Gravedad específica de sólidos

Este valor es necesario para calcular la relación de vacíos de un suelo, se determinó por el método del picnómetro a través de la norma INV E – 128, la cual consistió en hallar el volumen equivalente de agua que ocupa una cantidad de partículas de sólidos que se encuentran en un matraz con agua. Conociendo este volumen y el peso de las partículas que han sido pesadas previamente, se determina el peso unitario de los sólidos.

3.4. Curva granulométrica mediante USCS y límites de consistencia o límites de Atterberg

Para realizar la curva granulométrica se realizó el análisis granulométrico por lavado y por medio del hidrómetro a través de las normas INV E – 123 e INV – 124 respectivamente. Para el análisis por tamizado se emplearon 300 gramos de suelo seco en el horno a 105°C, y para la fracción más fina (75µm) se usaron 50 gramos de suelo en una solución de hexametafosfato de sodio al 4 % durante un día.

Para la clasificación de un suelo fino mediante el USCS, además de que el porcentaje de finos que pasa la malla No.200 debe ser mayor al 50 %, es necesario determinar los límites de consistencia del suelo. Estos son los contenidos de agua para los cuales el suelo cambia de un estado físico a otro. Para encontrarlos se siguió la norma INV E – 125 e INV E – 126.

3.5. Ensayo modificado de compactación

Para la ejecución de los ensayos de compactación se siguió la norma INV E – 142 (ensayo de compactación modificado). El objetivo de este ensayo es determinar la relación entre la humedad y la masa unitaria de los suelos compactados en un molde de tamaño dado con un martillo de 4.54 kg que cae de una altura de 45.72 cm. Para el suelo natural se siguió el método B y para la mezcla suelo el AMU se utilizó el método A con el propósito de optimizar los materiales y el proceso de mezclado. Ambos métodos tienen energía de compactación equivalente.

3.6. Ensayo de compresión inconfinada

El ensayo de compresión inconfinada permite determinar un valor aproximado de la resistencia de los suelos cohesivos en términos de esfuerzos totales, bajo condiciones inalteradas o remoldeadas. De acuerdo a la resistencia obtenida, es posible calificar la consistencia del suelo de acuerdo a la Tabla 3.

Para realizar el ensayo se adoptó la norma INV E – 152. Donde se especifica que las muestras a ensayar deben tener sección constante y eje perpendicular a dicha sección. El diámetro debe ser mayor a 30 mm, la partícula máxima contenida debe ser menor o igual a 1/10 del diámetro y la relación de la altura al diámetro se debe encontrar entre 2 a 2.5.

Para cumplir estas especificaciones y con el fin de evaluar la influencia del AMU en la resistencia a compresión inconfinada del suelo, se decidió ensayar cada muestra, remoldeándola a la densidad seca máxima y contenido óptimo de humedad obtenidos en los ensayos modificados de compactación. Las muestras se armaron en un cilindro metálico hueco de volumen previamente determinado, compactando el material con un disco metálico que se desliza al interior del cilindro. Posteriormente el espécimen compacto se extraía del molde para ser ensayado; se prepararon dos para cada contenido de aceite empleado, incluyendo el 0 % para efectos de comparación.

Es importante resaltar que en todos los ensayos de esta investigación que involucraban mezclas de Suelo-AMU y que requerían determinar el contenido de agua, se encontró que, para cualquier dosificación de AMU empleado, en promedio el 24,76 % de éste se evaporaba en el horno a 105°C, mientras que el otro 75,24 % permanecía junto a los sólidos. Por lo tanto, para el cálculo de las cantidades de material para remoldear los cilindros de compresión inconfinada y del ensayo de consolidación, se tuvieron en cuenta estos valores. Esto se realizó con el fin de obtener unos especímenes con la densidad seca máxima y contenido óptimo de humedad.

Con el ensayo de compresión inconfinada también se determinó el módulo de elasticidad para cada muestra de Suelo-AMU, de las dos ensayadas para cada porcentaje de AMU se obtuvo una curva esfuerzo-deformación promedio, luego se estimó la pendiente de la parte recta de la curva para la cual el suelo se encuentra en el rango elástico, la cual resulta ser el módulo de elasticidad.

3.7. Ensayo de permeabilidad mediante la Curva de Taylor

El coeficiente de permeabilidad k se determinó indirectamente a través de la curva de Taylor, resultado del ensayo de consolidación, basado en la norma INV E – 151.

Para el cálculo de la permeabilidad k, solo fue necesario un incremento de carga durante el ensayo de consolidación, esto se hace con el fin de determinar el coeficiente de consolidación C_v y posteriormente aplicar la siguiente fórmula [1].

Donde,

1. C_v: Coeficiente de consolidación.
2. γ_w: Peso específico del agua.
3. k: Coeficiente de permeabilidad.
4. a_v: Coeficiente de pre consolidación.
5. e₀: Índice de vacíos antes de la consolidación para un incremento de carga dado.

4.1. Caracterización del suelo

El suelo empleado para esta investigación según el “Sistema Unificado de Clasificación de Suelos” resulto ser un limo de alta plasticidad (MH). De acuerdo con la Figura 1 y el ensayo de hidrometría, el suelo contiene un 21,16 % de arcilla, un 61,08 % de limo y un 17,76 % de arena.

Figura 1. Curva granulométrica.

Para investigar el efecto del AMU en las propiedades geotécnicas del suelo, se determinaron en primer lugar las propiedades del suelo natural, las cuales se pueden observar en la Tabla 4.

Es natural encontrar este tipo de suelos en el Valle de Lili, debido a que este sector está sobre abanicos aluviales (Sal) y suelos fluvio arcillosos (Sfa), los cuales son sedimentos que han sido transportados y depositados por ríos y quebradas, por ocasionales flujos torrenciales intercalados, haciendo que estos suelos estén conformados por limos arenosos y arcillas (13).

4.2. Límites de consistencia o límites de Atterberg

La clasificación del limo se determinó con la carta de plasticidad de Casagrande como de alta plasticidad (MH). Sin embargo, el índice de plasticidad de 18,52 % no indica que el suelo tenga muy alta plasticidad, esto se debe a que la mayoría de él está compuesto por partículas de tamaño mayor a 0,002 mm, mientras que sólo el 21,16 % son arcillas (<0,002 mm).

Los límites de consistencia del suelo indican el cambio de un estado físico a otro debido al contenido de agua. Los resultados de los límites líquido y plástico del suelo en función de la cantidad de aceite empleada se muestran en la Figura 2.

Figura 2. Límites de consistencia en función del AMU.

En la Figura 2 se observa un ligero incremento del índice de plasticidad con el aumento del contenido de aceite después del 8 % de la dosificación, mientras que para el 4 % y 8 % se mantuvo relativamente constante. En general, se ve claramente que al incrementar el contenido de aceite, tanto los límites líquido y plástico disminuyen. La explicación para este fenómeno es que como las muestras de suelo seco se mezclaron manualmente con el aceite hasta formar una mezcla homogénea y luego se añadió el agua, el aceite fue el primer fluido que entró en contacto con el suelo, por lo tanto, se creó una película alrededor de las partículas del suelo que mitigó la capacidad que tiene el agua para adherirse al suelo. El agua actúa como un agente de unión entre las partículas de arcilla que contribuyen a la plasticidad (8), y se observa que mientras más contenido de aceite se emplee, la cantidad de agua necesaria para que el suelo cambie de un estado a otro es menor, lo cual hace que los límites de Atterberg disminuyan.

El AMU aún después de su uso sigue siendo un líquido viscoso y no polar, los suelos arcillosos secos con fluidos no polares no tienen propiedades de plasticidad (3). Además se ha encontrado que si un fluido orgánico se usa en vez de agua, las propiedades del fluido tales como la viscosidad influirán en el límite líquido y los factores físico-químicos harán que la arcilla se comporte más como un material granular, reduciéndose así el límite líquido (3).

4.3. Densidad seca máxima y contenido óptimo de agua

Las curvas de compactación en función de la humedad de todos los ensayos, incluido el del suelo natural se resumen en la Figura 3.

Figura 3. Curvas de compactación (P.M).

De la Figura 3 se nota que al ir incrementando el contenido de AMU, las curvas se van desplazando hacia la izquierda y hacia arriba. La cantidad de agua necesaria para llegar a la densidad seca máxima es menor, en consecuencia, la humedad óptima disminuye con el aumento de aceite y se logra una mayor densidad seca máxima. Como se ve, el decremento de la humedad óptima es significativo para el 4 % de AMU, donde esta se reduce un 8 % con respecto a la del suelo natural, para el 8 % de AMU un 31,2 %, para el 12 % de AMU un 44,4 % y finalmente para el 16 % de AMU se reduce un 60 %.

En suelos diferentes al limo de esta investigación, otros autores (3, 6, 8, 10) han encontrado resultados similares respecto a la reducción de la humedad óptima en los ensayos de compactación, en estos casos con mezclas de Suelo-Aceite de motor o Suelo-Petróleo crudo. Cuando el suelo se mezcla con el agua, esta cumple la función de lubricar las partículas, formando así una matriz ordenada que permite la compactación del suelo. Al aumentar el contenido de AMU, el agua necesaria para densificar el suelo es menor, es decir que el aceite reemplaza la función del agua y reacomoda las partículas de suelo permitiendo su densificación.

En este orden de ideas, también se observa que la densidad seca máxima tiende a aumentar al incrementar el contenido de AMU. Se observa que para contenidos entre el 0 % y 4 % de AMU, la densidad se mantiene relativamente constante, resultado consistente en suelos finos (CH y ML) con porcentajes de aceite entre el 4 % y 6 % (10). De la Figura 3 también se nota un aumento de la densidad del 4,5 %, 5,7 % y 7 % con respecto al suelo natural para el 8 %, 12 % y 16 % de AMU respectivamente.

La composición típica de los aceites usados es una mezcla de lubricantes de diferentes tipos (11), propiedad que hace que el aceite no solo reemplace la función del agua en el ensayo de compactación, sino que lubrique aún más las partículas reacomodándolas y creando una matriz todavía más ordenada del suelo.

Otros investigadores encontraron que la densidad seca máxima tiende a reducirse con el incremento del contenido de aceite. En el caso de los suelos colapsables de Egipto, clasificados como arcillas de baja plasticidad (CL), se atribuye al efecto de la reacción química que ocurre entre el aceite y las partículas de suelo (6), mientras que en ensayos con arena arcillosa (SC) justifican que se debe a que el cambio en la composición del fluido de poro afecta la microestructura del suelo (7).

4.4. Resistencia a la compresión inconfinada

La Figura 4 contiene todas las curvas esfuerzo-deformación obtenidas de los ensayos de compresión inconfinada en función de la cantidad de AMU empleado. Nótese que por cada dosificación ya se han ponderado los resultados de los dos especímenes ensayados, incluso para el suelo natural.

Figura 4. Curvas esfuerzo-deformación en función del AMU.

Los resultados de resistencia q_u, su deformación unitaria correspondiente ε y los módulos de elasticidad E, se encuentran resumidos en la Tabla 5. Los valores de resistencia clasifican al suelo natural y a las mezclas de Suelo-AMU con una consistencia dura según el INVIAS (16). Sin embargo, la consistencia de todas las muestras se debe a que cada una se compacto entre el 94 % al 100 % del Proctor Modificado.

Los valores de resistencia a la compresión inconfinada y deformación unitaria en función de la cantidad de AMU empleado se graficaron en la Figura 5.

Figura 5. Resistencia qu y deformación ε en función del AMU.

De la Figura 5, en general se observa que hay un decremento significativo de la resistencia únicamente después del 8 % de aceite en comparación con la del suelo natural, donde cae un 16 % y un 29 % para contenidos de AMU del 12 % y 16 % respectivamente. En los porcentajes del 4 % y 8 % de AMU, la resistencia se mantiene en el 94 % de la muestra patrón. En consecuencia se puede inferir que para contenidos de aceite del 0 % al 8 %, la resistencia se mantendrá relativamente constante.

La línea de tendencia trazada en la Figura 5, comprueba numéricamente el análisis anterior referente a la resistencia a la compresión inconfinada, y se describe por la siguiente ecuación polinómica [2].

Donde,

1. q_u: Resistencia a la compresión inconfinada, expresada en kPa.
2. %AMU: Aceite de Motor Usado, expresado en tanto por ciento.

A medida que se usa más cantidad de aceite en el suelo, la película lubricante alrededor de las partículas facilita su deslizamiento, causando que la deformación unitaria que permite el suelo antes de fallar sea menor.

Respecto a la resistencia al corte en arcillas CL, muestra que al incrementar el contenido de aceite hay una extrema reducción de la cohesión, mientras que suelos SP y SM presentan una baja cohesión, que puede ser resultado de la viscosidad y la cohesión inherente (3). El decremento del esfuerzo y deformación de suelos finos puede ser causado por la naturaleza viscosa del fluido de poro empleado. Un aumento en la viscosidad del fluido de poro, cambia las propiedades de contacto y las interacciones fisicoquímicas, mostrando con ello un ablandamiento de la muestra (9).

4.5. Coeficiente de permeabilidad

Con los datos obtenidos de todas las muestras se realizaron los cálculos mediante la fórmula [1] del capítulo de metodología. Los valores de este ensayo para cada dosificación de AMU, se resumen en la Tabla 6.

Nótese que la gravedad específica del suelo natural fue calculada como se describió en el numeral 3.3, pero para mezclas de Suelo-AMU se aplicó la fórmula [3] encontrada en (10).

Donde,

1. G_s: Gravedad específica de la mezcla de suelo aceite.
2. P₁: Masa en porcentaje de las partículas de suelo.
3. P₂: Masa en porcentaje del aceite.
4. G₁: Gravedad específica de las partículas de suelo (2,697).
5. G₂: Gravedad específica del aceite (0,9142).

Dado que el suelo empleado en esta investigación resultó ser un MH con más del 80 % de partículas con tamaño inferior a 75µm, evaluar la influencia del aceite en la permeabilidad de manera directa resulta demasiado extenso en términos de tiempo.

El coeficiente de permeabilidad calculado para el suelo natural fue de 1,50119 x 10^-8, el cual es un valor típico para un suelo fino que lo clasifica como impermeable (17).

Claramente se ve que no hay una influencia significativa del contenido de AMU en el coeficiente de permeabilidad. Esto puede deberse tanto al alto porcentaje de partículas finas, como a que todas las muestras se compactaron a más del 94 % de la densidad seca máxima, lo cual hace que se presente un coeficiente muy bajo sin importar la cantidad de aceite empleado.

Sin embargo, a pesar de que la permeabilidad en general no mostró una variación representativa, si se presentó una reducción considerable del volumen de vacíos al incrementar el contenido de AMU, éste se redujo de manera proporcional como se indica en la Figura 6.

Figura 6. Relación de vacíos en función del AMU.

Como se ve en la Figura 6, al incrementar la dosificación de aceite, el volumen de vacíos disminuye. Por ejemplo, para el 4 % de AMU el volumen de vacíos se reduce un 25 % con respecto al del suelo natural, para el 8 % de AMU un 38 %, para el 12 % de AMU un 45 % y finalmente para el 16 % de AMU se reduce un 69 %. Estos resultados concuerdan con los obtenidos en algunas investigaciones previas: un incremento en el contenido de aceite en suelos residuales MH, reducirá los espacios entre partículas que permiten la filtración de agua (8). En el estudio de los efectos de petróleo crudo en suelos CL, SM y SP, se obtuvo una correlación directa entre la permeabilidad y el tamaño de partículas y una correlación inversa entre la permeabilidad y el contenido de aceite (3, 4), pero la reducción del coeficiente de permeabilidad con el incremento de aceite no fue significativo, incluso para el 16 %; también se señaló que la reducción de la permeabilidad es mayor en suelos como SM o SP, lo que indica el efecto del aceite en la permeabilidad decrece con el incremento de la porosidad. En un suelo con un alto porcentaje de partículas de arcilla, no disminuye significativamente la permeabilidad con el contenido de aceite, sin embargo, el principal factor que influye en la permeabilidad de un suelo es el cambio de la estructura del mismo por el contenido de agua (10).

Al parecer, aunque el AMU reduce el bajo volumen de vacíos de un suelo MH, no se presenta un cambio significativo del coeficiente de permeabilidad k. Los limos al estar compuestos por un alto contenido de partículas finas presentan un coeficiente de permeabilidad muy bajo, además es necesario tener en cuenta que el cálculo de la permeabilidad depende de varios factores.

La gran ventaja de este tipo de estabilización para aplicaciones viales es que se logra una capa impermeable y resistente, que no se satura y protege de la saturación por lluvia la capa superior de la subrasante, lo cual la hace estable dándole mejor soporte a la estructura de pavimento.