2.3 Identificacin de suelos expansivosLos suelos que contienen arcillas expansivas llegan a ser muy pegajosos cuando estn hmedos y usualmente son caracterizados por grietas en la superficie o una textura de rosetas de maz cuando estn secos. Por lo tanto, la presencia de grietas en la superficie es usualmente un sntoma de que se trata de un suelo expansivo.

Son tres los mtodos para identificar y clasificar el potencial de expansin de un suelo. Identificacin mineralgica (mtodo cualitativo) Mtodos indirectos (mtodo semicuantitativo) y Mediciones directas (mtodo cuantitativo)Identificacin mineralgicaLa composicin mineral de los suelos expansivos tiene influencia importante sobre el potencial de expansin, debido a la estructura reticular, que est compuesta por las lminas silcicas y las alumnicas, segn el tipo de arcilla. Las cargas elctricas negativas sobre la superficie de los minerales de arcilla, la firmeza entre las capas ligadas y la capacidad de intercambio catinico, influyen en el potencial de expansin de la arcilla. De esta forma se supone que identificando los constituyentes mineralgicos de la arcilla se puede estimar el potencial de expansin. Las tcnicas que pueden utilizarse son:

Difraccin rayos X Anlisis trmico diferencial Absorcin de calor Anlisis qumico y Microscopio electrnico.

La identificacin de los minerales de la arcilla es importante, pero no es necesario ms que en dos o tres muestras en cada emplazamiento. El procedimiento ms conveniente hoy es la difraccin de rayos X. El anlisis trmico diferencial no parece llegar a definiciones concretas; el microscopio electrnico, especialmente el de barrido, no deja duda alguna en general, respecto a las partculas que contemplamos, pero el campo es tan pequeo que no permite un juicio seguro sobre el conjunto, ya que los suelos tienen casi siempre mezcla de diversas especies (Holtz y Gibbs, 1954; Jurez y Rico, 1976). Por estas razones los mtodos arriba mencionados deberan ser usados en combinacin para evaluar cualitativamente los tipos minerales que contiene la arcilla.

Identificacin a travs de propiedades ndice

La evaluacin del potencial de expansin puede realizarse por medio de pruebas sencillas. Estas pruebas pueden incluir en la rutina, para la investigacin del lugar donde se realizara la obra que se trate. Las pruebas ndices pueden ser:

Lmites de Atterberg Lmite de contraccin lineal Expansin libre y Contenido de coloides

Lmites de AtterbergHoltz y Gibbs (1956) demostraron que el ndice de plasticidad y el lmite lquido son ndices de utilidad para determinar las caractersticas de expansin de la mayora de las arcillas.

El potencial de expansin se define como el porcentaje de aumento de volumen en una muestra confinada lateralmente, la cual se satura bajo una sobrecarga de 6.9 kN/m2 (0.07kg/cm2), despus de ser compactada a su peso volumtrico mximo en la humedad ptima, de acuerdo a la prueba AASHTO estndar

Puesto que el lmite lquido y la expansin de las arcillas dependen de la cantidad de agua que la arcilla trata de absorber, no es sorpresa que est relacionados.La relacin entre el potencial de expansin de las arcillas y el ndice de plasticidad puede establecerse como a continuacin se indica en la Tabla

Contraccin linealSi suponemos que el potencial de expansin es una propiedad opuesta a la medicin de la contraccin lineal, entonces las caractersticas de esta deben ser ndices consistentes y confiables del potencial de expansin.Altemayer sugiri en 1955 a manera de gua para la determinacin del potencial de expansin, varios valores de lmite de contraccin lineal, como se muestra en la Tabla

An falta investigacin evidente y concluyente respecto a la correlacin entre el potencial de expansin y el lmite de contraccin.

Expansin LibreLa prueba de expansin libre propuesta por Holtz y Gibbs (1954), consiste en colocar 10 cm de suelo seco que pasa la malla No. 40 dentro de agua destilada, observando el volumen que se tiene despus de que el material se estabiliza en el fondo de una probeta graduada de 100 cm3.

La diferencia entre el volumen inicial y el final, expresada como porcentaje del volumen inicial, es el valor de la expansin libre. Esta prueba de expansin es muy burda y se us hace mucho tiempo, cuando no eran posibles mtodos y pruebas ms refinadas

Contenido coloidal

Para propsitos ingenieriles el trmino coloide es usado para describir a una partcula cuyo desarrollo es controlado por fuerzas superficiales (electrostticas) que por fuerzas gravitacionales. Los coloides se definen como aquellos cuyo tamao es menor que 0.001 mm. El tamao de los granos laminares de una arcilla manifiesta influencia en el potencial de expansin, en especial el contenido coloidal. La cantidad de expansin aumentar con la cantidad de arcilla presente en el suelo.

Para cualquier tipo de arcilla, la relacin entre el potencial de expansin y el porcentaje de arcilla (en cuento al tamao de granos) puede expresarse mediante la siguiente ecuacin.

Donde:S = potencial de expansin, expresado como porcentaje de expansin bajo 6,9 kN/m2 (0,07 kg/cm2), de sobrecarga para una muestra compactada en la humedad ptima Para el peso especfico mximo, de acuerdo la prueba de compactacin AASHTO estndar.C = porcentaje de granos arcillosos menores de 0,002 mmx = exponente que depende del tipo de arcillaK = coeficiente que depende del tipo de arcillaLa cantidad del tipo de granos arcillosos se puede determinar a travs de la prueba de hidrmetro, el tipo de coloides se refleja en x y K, en la ecu. (1.4) y controla la cantidad de expansin.

Clasificacin de suelos expansivos

Mtodos directosMtodo USBR

Mtodo USBR desarrollado por Holtz y Gibbs (1956), como lo muestra la Fig. Propusieron un cierto criterio de identificacin de suelos expansivos que se muestra en la Tabla en la figura anterior.

Relacin entre el cambio de volumen y contenido coloidal, ndice plstico y limiteDe contraccin (segn Holtz y Gibbs, 1956)

En especial debera tomarse en cuenta la diferencia que existe en el comportamiento de un suelo inalterado y un remoldeado. Chen (1975) ha realizado desde hace muchos aos miles de pruebas de potencial de expansin y de propiedades ndice. De las 321 muestras inalteradas, obtuvo una curva de regresin que puede expresarse como sigue:

Donde: A=0,0838 B=0,2558 Esta expresin se obtiene considerando una sobrecarga de 6,9 kN/m2 (0,07 kg/cm2) en las pruebas de potencial de expansin.Mtodo de la actividad.El mtodo de la actividad fue propuesto por Seed, Woodward y Lungren y se bas en material remoldeado. La actividad se define como la relacin entre el ndice de plasticidad y el por ciento de granos menores de 2 micras. Seed et al (1962) modificaron la definicin a travs de la siguiente relacin:

El criterio de Seed, Woodward y Lundgren se expresa en la Fig. 1.6 El cambio en la definicin original de actividad realizada por Seed et al (1962) se debe a que el criterio no tena en cuenta la especie mineralgica de los finos.

Skempton sugiri tres clases de arcillas de acuerdo a actividad: inactivo para actividades menores de 0,75; normal, para actividades entre 0,75 y 1,25; y activo para valores mayores de 1,25. Las arcillas activas proveen ms potencial de expansin. Valores tpicos para varios minerales de arcilla son los siguientes:

Mtodos indirectos

Mtodo de la actividad (PVC)

La determinacin del Potencial de cambio volumtrico (PVC) del suelo fue desarrollada por Lambe (1960) bajo los auspicios de la Federal Housing Administration (USA). Las muestras son primeramente compactadas en el consolid metro de anillo fijo con energas especficas de 2,638 kJ/m3 (26,87 kgcm/cm3). Despus se aplica una presin inicial de 1,380 kN/m2) y se agrega agua la muestra la cual esta parcialmente restringida de la expansin vertical por un anillo de carga. La lectura del anillo de carga se toma despus de dos horas y se convierte a presin, siendo designada ndice de expansin. Lambe (1960) estableci las siguientes categoras:

El mtodo PVC no mide en s mismo el potencial de expansin. El verdadero potencial medido para una arcilla puede ser mucho mayor. El mtodo del PVC puede utilizarse nicamente en forma comparativa entre varios suelos expansivos

Capacidad de intercambio cationico (CEC, cation exchange capacity)

El CEC es la cantidad de cationes intercambiables requeridos para balancear la carga negativa sobre las partculas de arcilla. El CEC es expresado en mili equivalentes por 100 gr de arcilla seca. Altos valores de CEC indican un alto valor de Expansin. En general, el potencial de expansin se incrementa al incrementarse el CEC. Tpicos valores de CEC para tres minerales bsicos son los siguientes (Mitchell, 1976), se muestran en la Tabla

ndice de Expansin libre

La prueba de ndice de expansin (ASTM D4829), Anderson y Lade, 1981. En esta prueba una muestra de suelo es remoldeada dentro de un anillo con un dimetro estndar de 4 (102 mm) y 1 (25 mm) de alto con un grado de saturacin cerca de 50%. Una sobrecarga de 1lb/in2 (6,9 kPa) es aplicada, y entonces la muestra es saturada y no se permite moverla hasta alcanzar un cierto valor o despus de 24 hrs. La cantidad de expansin es expresada en trminos del ndice de expansin, o EI, el cual es definido como:

EI = 1000 h F

Donde: EI = ndice de expansin h = expansin del suelo F = porcentaje de muestra por peso que pasa a travs de la malla No. 4. El potencial de expansin de un suelo es clasificado de acuerdo al ndice de expansin como sigue:

Coeficiente lineal de extensibilidad (COLE)Es una prueba de contraccin que determina los esfuerzos lineales de una muestra inalterada, no confinada, con un valor de succin de 5 psi (33kPa) a 150,000 psi (100 MPa). COLE es una medida del cambio de dimensiones de una muestra cuando pasan de un estado hmedo a uno seco y es estimada de la densidad de la muestra a una succin de 5 psi (33 kPa) y una condicin seca. El valor de COLE est dado por:

LD/ LD = esfuerzo lineal relativo para condiciones secasdD = densidad de una muestra seca dM=densidad de una muestra a una succin de 33 kPaEl valor de COLE es expresado en porcentaje. Ha sido relacionado con el ndice de expansin obtenido de la prueba PVC y otros parmetros indicativos.El valor de la Extensibilidad Lineal, es un estimador de minerales de arcilla como a continuacin se muestra en la Tabla