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1. INTRODUCCIÓN
Los suelos expansivos son característicos de regiones tropicales, los cuales presentan grandes cambios volumétricos cuando su contenido de agua varía (Delgado Trujillo, 1986); dichos cambios afectan a estructuras de poco peso que se encuentran apoyadas en cimentaciones superficiales. Sus efectos sobre las obras van desde levantamiento, rotura y daño de pavimentos, edificaciones y revestimientos (Merchan Infante, 2009).
Panamá presenta suelos expansivos como lulita y limonita de forma predominante en regiones como: Veraguas, Panamá Oeste, Chiriquí y Herrera; con puntos incidentes en La Chorrera, Colón, Darién y Tierras Altas, zonas en que se han presentado problemas en estructuras como carreteras y edificaciones relacionados al comportamiento expansivo de los suelos y la estabilidad para la construcción (Molina, 2020).
Considerando que Panamá es un país de clima con estaciones húmedas que pueden llegar a generar un promedio de precipitación de 300 a 350 mm al mes (INEC, n.d.), la búsqueda de alternativas para el control de este tipo de suelos representa, una mejora a largo plazo de las edificaciones.
El CaCO3 es un agente cementante natural utilizado ampliamente en la industria civil (Arango Campo, 2020). Las conchas marinas son una de las fuentes naturales más concentradas de este mineral alrededor del mundo, con concentraciones que rondan el 99 % de CaCO3 y 1 % en una matriz orgánica (Rivera Pérez & Hernández Saavedra, 2020). La utilización de este tipo de mezcla data de la antigua Roma, donde se creó el famoso cemento puzolánico presente en los cementos Portland, con una aleación de ceniza volcánica, carbonato molido y agua de mar (Sanjuán Barbudo & Chinchón Yepes, 2014).
En Panamá, gran parte de la arena empleada en la construcción y mega obras, proviene de arena de mar. Las empresas en el proceso de extracción de arena generan grandes cantidades de residuos de concha de mar, que en conjunto con los residuos de la industria pesquera, podrían ser utilizados como fuente de CaCO3, y emplearse como aditivo estabilizante de suelos expansivos, entre otros usos ingenieriles, lo cual permitiría obtener beneficios económicos de este residuo, atendiendo al Objetivo de Desarrollo Sostenible (ODS) 12 “Producción y consumo responsable”, que apunta a la reutilización de los residuos industriales como materia prima para otros procesos, en búsqueda de una economía circular.
El objetivo de este estudio es evaluar la viabilidad para la estabilización de suelos expansivos en Panamá, a través de la compactación controlada y la adición de estabilizantes como la concha marina y el cemento, para determinar la proporción óptima como estabilizante en el suelo expansivo del estudio, y brindar información que sea útil para formular estrategias que permitan el uso de la concha marina pulverizada con fines comerciales (Ruiz & Farfán, 2016).
Tomando en consideración a Anggraini et al. (2023), se busca realizar una mezcla de materiales que permita proporcionar más estabilidad a las estructuras, en este caso a través del agregado de conchas pulverizadas en distintas concentraciones, ya sea directamente al suelo o como aditivo al cemento.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Materia prima
La muestra de suelo expansivo proviene de la región de Panamá, Darién, específicamente del área de Metetí. La muestra de residuos de concha marina proviene del proceso extractivo de arena de mar en Chame (ver Figura 1), mientras que el cemento empleado en los ensayos fue un cemento gris de uso general tipo (GU).
La selección del área para la extracción del suelo expansivo se basó en un muestreo deliberado, es decir, considerando los conocimientos de los pobladores sobre el comportamiento del suelo in-situ, en conjunto con la evaluación de las propiedades visuales perceptibles al momento, como rajaduras del suelo y de estructuras.
2.2 Pretratamiento de muestras
2.2.1 Suelos Expansivos
Se tomó una porción de suelo expansivo de aproximadamente 2.5 kg, este fue secado a temperatura ambiente y cuarteado, luego se disgregó la muestra con un mazo de goma. Una porción fue pasada por el tamiz N°10 (ver Figura 2), para trabajar con la fracción < 2 mm para el análisis del hidrómetro según la norma ASTM D7928-21e1 (2021). Otra porción fue pasada por el tamiz N. º4 para obtener la fracción < 4.76 mm para las pruebas de Proctor según la norma ASTM D698-12R21 (2021), y la resistencia no confinada a la compresión siguiendo la norma ASTM D2166/D2166M-16 (2016).
2.2.2 Conchas Marinas
Para efectos de esta investigación, se utilizó el residuo de conchas marinas, sin lavar, secadas a 110ºC por 24 h en el horno (Boxun BGZ). La pulverización se realizó a través del ensayo de desgate de los ángeles según la norma ASTM C535-16 (2016), la cual está destinada a agregados de gran tamaño. El material resultante del desgaste de los ángeles fue pasado por el tamiz Nº12 para obtener la fracción < 1,7 mm para los ensayos de adición (Ver Figura 3).
2.3 Análisis de laboratorio
2.3.1 Ensayo por hidrómetro
Se tomó 50 g de suelo natural y se humedeció con agua para posteriormente llevarlo a agitar en una batidora por un período de 1 minuto.
Según la norma ASTM C136/C136M-19 (2020), la mezcla suelo-agua se colocó en una probeta de 1000 mL, enrasándola con agua, y se realizaron lecturas intermitentes del hidrómetro y la temperatura del líquido, en un rango de 1 min a 24 horas.
2.3.2.1 Límite Líquido
Se realizaron tres mediciones distintas a través del método de Casagrande con medidas de masa del suelo húmeda (mh) y masa del suelo seca (md), para determinar el porcentaje de humedad (% w). Para el mismo, se tomaron rangos de 30-35, 20-25 y 10-15, golpes en la copa Casagrande.
2.3.2.2 Límite Plástico
Se utilizaron 1000 g de suelo natural humedecido hasta un estado maleable y se compactó en forma de cilindros, los cuales se alargaron hasta su punto de ruptura, posteriormente se tomaron las medidas de masa húmeda y seca.
2.3.3 Pruebas de Expansión
Se tomó 300 g del suelo natural pasado por el Tamiz Nº10, se colocó la muestra en un anillo de compresión (ver Figura 4) y se sometió a la presión del agua través de un cilindro de contención conocido como aparato Lambe, según la norma UNE 103600:1996 (2020) el ensayo de expansión se realizó con la humedad de la muestra en el límite plástico.
2.4 Métodos
2.4.1 Cálculo de resistencia a la compresión no confinada
En este ensayo, se tomaron medidas comparativas de la resistencia en kg/cm2 de núcleos de ensayo de suelo natural, suelo natural con concha pulverizada, y suelo natural con cemento y concha pulverizada, en distintas proporciones.
El propósito de las mediciones radicó en determinar el esfuerzo máximo a soportar, lo que se logró a través del ensayo de la compresión no confinada (ver Figura 5), el cual cuantifica la capacidad resistente del suelo. Los exámenes de la resistencia no confinada del suelo en compresión se llevan a cabo a través de muestras cilíndricas, con una altura de 90 mm a 110 mm.
Las muestras con la dosificación de polvo de conchas marinas se prepararon mezclando completamente la cantidad deseada con el suelo expansivo, hasta obtener la humedad uniforme. La humedad y densidad óptimas se calcularon previamente, para la respectiva adición del agua.
Basado en la norma ASTM D2166/D2166M-16 (2016), se utilizó 1400 g de suelo natural humedecido con 240 ml de agua para las muestras de núcleo, las mediciones fueron tomadas en un rango de 13 lecturas, con valores de carga última en libras.
Al suelo expansivo se le realizaron adiciones del 10 % al 40 %, con incrementos del 5 %, de polvo de concha marina, otras con concha marina y cemento (en partes iguales), y cemento.
3. RESULTADOS
Clasificación del suelo
Basados en las pruebas de laboratorio realizadas en el suelo, a través de los métodos de ensayo de granulometría por tamizaje e hidrómetro, se obtuvo un suelo con alto porcentaje de finos, siendo mayoritarios la arcilla con 54,8 % y el limo con 41,7 % (ver Tabla 1).
De acuerdo con los resultados del ensayo de Límites de Attenberg, se pudo definir la muestra como una arcilla de alta plasticidad (CH), de color marrón oscuro (7.5 YR 3/3) según Munsell.
Además, se confirmó mediante la prueba de expansión el comportamiento expansivo de la arcilla con un valor muy crítico de 10, que se esperaba obtener para este suelo, de manera que se pudiesen realizar adiciones para mejorar la resistencia a la compresión no confinada
3.2 Composición química
En la Tabla 2, se observan los resultados de la composición química del suelo, la concha lavada y sin lavar, lo cual determina que la concha lavada presenta un mayor porcentaje de CaO (52,31 %) que la concha sin lavar (29,06 %), esto debido al alto contenido de impurezas proveniente de la arena extraída y que se refleja en el contenido de SiO2 de (28,82 %); el suelo mostró valores altos de compuestos químicos representativos en suelos arcillosos como son Al2O3 (18,74 %), SiO2 (45,11 %) y Fe2O3 (9,65 %).
3.3 Compresión no confinada de la muestra
Al aplicar las pruebas de compresión no confinada se obtuvo que los valores máximos para el criterio de capacidad de carga de las diferentes mezclas se dieron en las siguientes proporciones: suelo + cemento (10 %); suelo + cemento y concha sin lavar (35 %); suelo + concha sin lavar (35 %), nombradas respectivamente como S+10C, S+35CS y S+35S (Ver Tabla 3).
Se observó que la mezcla de S+35CS presenta una mayor capacidad de carga en comparación a las otras mezclas, siendo de 15,43 kg/cm2, el máximo valor obtenido entre todos los ensayos realizados.
4. DISCUSIÓN
Para mejorar la capacidad de cementación en las mezclas se infiere que el uso de la concha pulverizada lavada sería lo óptimo, ya que en los análisis químicos realizados, presentó un mayor porcentaje de CaO en comparación a la muestra de concha sin lavar.
Al adicionar un 35 % de concha pulverizada sin lavar a la muestra de suelo expansivo, se logró mejorar la capacidad de carga intrínseca del mismo en un 13,7 %; mientras que se dieron mejoras de hasta un 27,8 % en la mezcla de suelo al agregarle cemento al 10 %.
Además, tomando en cuenta los resultados presentados en la Figura 6 de esfuerzo deformación, se puede inferir que la mezcla de S + 35CS tuvo el comportamiento óptimo entre todas las mezclas analizadas, 4,5 veces más el esfuerzo máximo del suelo expansivo seco. Esto se debe principalmente a la elevada presencia de CaO en la muestra, como resultado de la combinación de la concha pulverizada y el cemento.
Con base en los resultados de compresión no confinada, se puede inferir que la mejora con respecto al aumento de la capacidad de carga en los cilindros ensayados aumenta proporcionalmente con el porcentaje adicionado de concha marina pulverizada, lo que indica una posible neutralización de la expansión propia de este tipo de suelos.
Cabe destacar que el aumento de proporción de concha pulverizada posee un límite de efectividad en la mezcla y variará dependiendo de no solo las propiedades del suelo ensayado, sino de la composición química en lo que respecta al porcentaje de carbonato de calcio.
Es posible que la efectividad del concreto esté ligada a la presencia de aditivos externos, sin embargo, las propiedades intrínsecas del CaCO3 propias de la concha como agente cementante contribuyen a la durabilidad de este y a la disminución del contenido de vacíos.
5. CONCLUSIÓN
Las conchas marinas son un recurso natural renovable que pasa desapercibido, el uso de éste como materia prima de carbonato de calcio en los suelos y cementos permite tener un nuevo enfoque en el uso de residuos de la industria arenera y pesquera. El reemplazo del uso de materiales como las calizas permite caminar a una nueva era de construcción sostenible sin la explotación de recursos limitados a través de un ciclo económico verde (Chilakala et al., 2019).
Considerando que los suelos expansivos predominan en Panamá, el uso de la concha marina pulverizada es una alternativa mucho más factible como estabilizador de expansión contrapuesto, al remplazo del suelo en su totalidad por suelos no expansivos, ya que no sólo disminuirá costos de transporte y mano de obra porque es un recurso de fácil acceso, sino que permitirá aumentar la resistencia a la compresión y la durabilidad del material.
Conforme en los resultados de compresión no confinada, se puede observar que la mezcla del 35 % de cemento junto con concha pulverizada sin lavar (en partes iguales) tuvo una capacidad de carga mucho mayor de 15,43 kg/cm2 a comparación de la capacidad de soporte del suelo expansivo con cemento que fue de 4,37 kg/cm2. Lo que supone una mejora a la capacidad máxima del suelo expansivo natural.
El agregado fino natural puede ser sustituido por conchas marinas trituradas hasta en un 35 % en peso para producir concreto ordinario estándar con la resistencia adecuada y densidad. Esto demuestra la viabilidad del estudio y su potencial de aplicación en el día a día de la industria estructural (Anggraini et al., 2023; Chilakala et al., 2019; Ruíz & Farfán, 2016; Vinod et al., 2020).
Para el entendimiento del comportamiento a futuro de esta mezcla, se recomienda la evaluación de todas las propiedades de este agregado como componente estabilizante en los suelos expansivos, el estudio de la cohesión, densidad conjunta y ensayos de capacidad de carga a escala. Además, se recomienda utilizar la concha lavada para aumentar el porcentaje de óxido de calcio, y con un secado a mayor temperatura, para aumentar la capacidad de cementación, y por lo tanto la capacidad de carga máxima.
