DETERMINACIÓN DE INDICES FÍSICOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE ARCILLAS GRISES DEL DEPARTAMENTO DE OBERÁ - MISIONES

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1 2 do Encuentro de Jóvenes Investigadores en Ciencia y Tecnología de Materiales Posadas Misiones, Octubre DETERMINACIÓN DE INDICES FÍSICOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE ARCILLAS GRISES DEL DEPARTAMENTO DE OBERÁ - MISIONES REINERT, Hugo (1) ; TERZARIOL, Roberto (2) ; REDOLFI, Emilio (3) (1) Departamento de Ingeniería Civil. Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Misiones. J. M. de Rosas Nº 325, Oberá, Misiones, Argentina. reinert@correo.fio.unam.edu.ar (2) Departamento de Construcciones Civiles. Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba. Av. Vélez Sarsfield 1611, Córdoba, Argentina. roberto_terzariol@ciudad.com.ar (3) Departamento de Construcciones Civiles. Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba. Av. Vélez Sarsfield 1611, Córdoba, Argentina. eredolfi@ciudad.com.ar TÓPICO: CERAMICOS, REFRACTARIOS Y VÍTREOS. MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN. RESUMEN El comportamiento geotécnico de los suelos grises del Departamento de Oberá, no ha sido estudiado hasta el momento. En el presente trabajo se analizan las características granulométricas y de plasticidad de estos suelos estableciéndose su posicionamiento en los diferentes sistemas de clasificación. Se desarrolló un programa de ensayos de laboratorio, con muestras obtenidas de pozos excavados a cielo abierto en cuatro sitios diferentes, realizándose ensayos de granulometría conjunta (tamizado y sedimentación) y de límites de consistencia (limite líquido, limite plástico, y límite de contracción). Los resultados alcanzados evidencian la similitud en las propiedades de tres de los sitios analizados, presentando el cuarto características un tanto diferentes. Se verifico la influencia que tiene en los valores alcanzados de los limites de consistencia el empleo de suelo previamente secado al aire, o bien secado a estufa. En base a esto, se ha logrado obtener una primera visión de las propiedades geotécnicas índices de este particular tipo de suelo. Palabras Claves: Geotecnia, Suelos grises, Granulometría, Plasticidad. 1. INTRODUCCIÓN A lo largo de la historia, el desarrollo de la geotecnia y de la mecánica de suelos se ha basado en gran medida en los aportes de académicos de las regiones templadas de Europa y América. En estas latitudes, las condiciones climáticas predominantes son tales que los suelos residuales resultan prácticamente inexistentes, por lo cual el objeto de estudio académico y la práctica profesional en geotecnia, se reduce a los depósitos sedimentarios. En las zonas intertropicales, contrariamente al caso anterior, los suelos residuales producto de la meteorización in situ de los materiales parentales son muy importantes, y su espesor puede alcanzar decenas de metros. El comportamiento de los suelos tropicales depende en gran medida de su estructura, formada durante el proceso de meteorización. Esta característica es propia de estos suelos, y a diferencia de los suelos transportados, no pueden ser considerados como simples agregados de partículas, lo que exige revisar los procedimientos de investigación del subsuelo, de los ensayos de laboratorio, y de los criterios de análisis y de diseño geotécnico empleados tradicionalmente.

2 Los suelos grises estudiados en el presente trabajo fueron tomados de la zona centro y sur-oeste del Departamento de Oberá, Provincia de Misiones, y constituyen a nivel regional un tipo de suelo del cual se desconocen sus propiedades geotécnicas. En la actualidad, el empleo de los terrenos donde se encuentran estos suelos está en permanente crecimiento, debido fundamentalmente a la expansión urbana hacia las zonas de desarrollo de los mismos, y a los bajos costos que por sus características tienen estos terrenos. Esto ha hecho que el conocimiento del comportamiento geotécnico de los suelos grises, vaya tomando cada vez más importancia, no solo en el ámbito profesional sino también en el académico. En el presente trabajo se analizan las características granulométricas y de plasticidad de estos suelos estableciéndose su posicionamiento en los diferentes sistemas de clasificación, para lo cual se realizaron ensayos de granulometría conjunta (tamizado y sedimentación) y de límites de consistencia (limite líquido, limite plástico, y límite de contracción). 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1. Toma de muestras Las muestras se extrajeron de cuatro sitios distintos, uno de ellos ubicado dentro del Municipio de Oberá, y tres ubicados en el Municipio de Guaraní, distante 6 km. de la Ciudad de Oberá, Capital del Departamento homónimo. La ubicación exacta de los sitios analizados se detalla en la Tabla 1. Tabla 1. Ubicación de los sitios de toma de muestras. Designación Ubicación: Calle - Municipio Coordenada GPS Sitio 1 Ruta Nacional 14 - Oberá S27º W55º05.3 Sitio 2 Av. Del Cincuentenario - Guaraní S27º W55º Sitio 3 Calle Mbororé - Guaraní S27º W55º Sitio 4 Av. Del Libertador - Guaraní S27º W55º Las muestras fueron tomadas de excavaciones a cielo abierto (calicatas), detallándose en la Tabla 2 las profundidades de toma de las diferentes muestras, así como también los valores de humedad natural (w), gravedad específica (Gs), peso unitario húmedo (γ n ), peso unitario seco (γ d ), relación de vacíos (e), porosidad (n), y grado de saturación (S) de las mismas. Tabla 2. Índices Físicos de las muestras analizadas. Prof. w Gs γn γd e n S Designación (m) (%) - (kn/m³) (kn/m³) - (%) (%) Sitio 1 Sitio 2 Sitio 3 Sitio 4 A-S1M1 1,0 32,3 A-S1M2 1,2 34,8 3,06 18,1 13,4 1,295 0,56 83,7 A-S2M1 0,3 39,1 A-S2M2 0,4 43,4 A-S2M3 0,5 44,6 2,84 18,1 12,9 1,219 0,55 96,6 A-S2M4 0,6 45,9 A-S2M5 0,7 50,2 A-S3M1 0,9 41,6 A-S3M2 1,0 43,7 2,93 17,9 12,7 1,302 0,57 91,8 A-S4M1 0,4,2 A-S4M2 0,5 45,8 2,98 17,8 12,5 1,385 0,58,2 A-S4M3 0,6 51, Ensayos de granulometría conjunta El análisis granulométrico se realizó conforme los lineamientos establecidos por las Normas ASTM D 421 y ASTM D 422. El ensayo de la fracción de suelo con tamaño de partículas mayores a los 75 µm (retenido en el tamiz N ro 200) se efectuó por tamizado mecánico, mientras que la distribución granulométrica de la fracción de

3 suelo con tamaño de partículas menores a 75 µm exige una investigación fundada en la ley de Stokes, la cual proporciona una relación entre la velocidad de sedimentación de las partículas de forma esférica en un fluido y el diámetro de las mismas. Como agente dispersante de las partículas se empleo el hexametafosfato de sodio, el cual se preparó en una solución con agua destilada en razón de gramos de hexametafosfato por litro de solución Ensayos de límites de consistencia Para la determinación de los límites líquido y plástico se siguieron los lineamientos establecidos por la Norma ASTM D 4318, mientras que para la determinación del límite de contracción se procedió conforme lo indica la Norma ASTM D Los ensayos se efectuaron analizando dos alternativas de secado del suelo, uno con suelo previamente secado a estufa, y otra con suelo secado al aire por un lapso mayor a las 48 horas, a fin de analizar la influencia que el método de secado tiene en los resultados obtenidos. Se realizaron un total de ensayos de determinación de límite líquido y de límite plástico, distribuidos de manera proporcional en cada una de las muestras analizadas. De estos ensayos, 50 fueron efectuados con suelos secados a estufa y 50 con suelos secados al aire. El límite de contracción se realizó a razón de un ensayo por cada muestra, obteniéndose como valores representativo de cada sitio, el promedio de las muestras del mismo. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Ensayos de granulometría En la Figura 1 se presentan las curvas de distribución granulométrica promedio obtenidas de los ensayos realizados en laboratorio para cada sitio. 10 TAMAÑO DE PARTÍCULAS [mm] # 4 # 10 1 # 20 # # # 0,1 # 200 0,01 0, PASANTE [%] A-Sitio1 A-Sitio2 A-Sitio3 A-Sitio4 0 GRAVA GRUESA ARENA MEDIANA FINA LIMO ARCILLA Figura 1: Curvas de Distribución Granulométrica media de cada sitio de estudio. Tabla 3: Composición granulométrica media de cada sitio de estudio. # 200 Arena Limo Arcilla Sitio 1 94,7 5,4 19,4 75,2 Sitio 2,4 9,6 72,1 18,3 Sitio 3 96,1 3,9 33,0 63,1 Sitio 4 91,9 8,1 30,5 61,4 De la observación de dichas curvas y de los valores indicados en la Tabla 3, se establece que las muestras analizadas presentan en todos los casos un alto porcentaje de fracción fina (pasante de tamiz 200).

4 Los valores promedio de cada sitio indican que las muestras del sitio 1, sitio 3, y sitio 4 son las que mayor fracción arcilla poseen, mientras que en las muestras del sitio 2 la fracción de limo es la que mayor peso tiene Ensayos de Límites de Consistencia En la Figura 2 se presentan las curvas de número de golpes vs humedad natural (curva de flujo), obtenidas de los ensayos realizados en laboratorio, mientras que en la Tabla 4 se detalla un resumen de los valores alcanzados empleando las pendientes indicadas en la Figura Sitio 1 - Secado Aire 50 tg β = Sitio 1 - Secado Horno tg β = (a) Sitio 3 - Secado Aire 50 tg β = Sitio 3 - Secado Horno tg β = (c) Secado Aire Secado Horno Sitio 2 - Secado Aire tg β = Sitio 2 - Secado Horno tg β = (b) Sitio 4 - Secado Aire 50 tg β = Sitio 4 - Secado Horno tg β = (d) Figura 2: Determinación del Límite Líquido y de la pendiente tg β de la curva de flujo. (a) Sitio 1; (b) Sitio 2; (c) Sitio 3; (d) Sitio 4. Tabla 4: Valores de límite líquido y plástico representativos de cada sitio. Secado Aire Secado Estufa Secado Aire Secado Estufa LL (%) 77,7 73,6 41,8 34,5 LP (%) 38,5 37,1 29,5 25,6 IP (%) 39,2 36,5 12,3 8,9 Sitio 1 Secado Aire Secado Estufa Secado Aire Secado Estufa LL (%) 69,5 67,4 75,9 68,8 LP (%) 27,5 27,6 30,5 28,7 IP (%) 42,0 39,8 45,4,1 Sitio 3 Según se puede ver, los valores de la pendiente de la curva de cada sitio son relativamente diferentes, y dentro del análisis de un mismo sitio presentan significativa variación según el suelo haya sido secado previamente al aire o en estufa. Los mayores cambios se producen en la determinación de los valores de límite líquido, siendo el límite plástico menos susceptible al efecto del secado previo. Asimismo, los valores obtenidos para suelos secados al aire, resultaron siempre mayores a los determinados con suelo secado a estufa. Los valores medios del límite de contracción, el índice de contracción, la contracción volumétrica y la contracción lineal para cada sitio de estudio, se detallan en la Tabla 5, observándose que el límite de contracción para los diferentes sitios analizados se encuentran todos dentro de un rango de variación del orden del 6 %. El parámetro que manifiesta mayores diferencias, es la contracción volumétrica, la cual varía entre un valor medio de 13 % para el sitio 1, y un valor medio de 36.3 % en el sitio 3. Sitio 2 Sitio 4

5 Tabla 5: Valores de los parámetros de contracción representativos de cada sitio. Limite de Índice de Contracción Contracción contracción contracción Volumétrica lineal Sitio 1 25,45 1, 12,95 3,95 Sitio 2 27,18 1,49 24,76 7,06 Sitio 3 21,55 1,65 36,25 9,75 Sitio 4 24,03 1,61 34,73 9, Clasificación de Suelos Con los valores obtenidos de los ensayos de granulometría conjunta y de límites de consistencia, fue posible clasificar los suelos de los diferentes sitios según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (Figura 3) y el sistema de clasificación propuesto por Vargas (1988, 1992) que relaciona la carta de plasticidad con la actividad (A) del suelo (Figura 4). Indice de Plasticidad [%] 50 CH Sitio 4 Sitio 3 CH - OH Sitio 1 30 CL CL - OL 20 MH - OH Sitio 2 10 CL - ML 0 ML - OL Límite Líquido [%] Figura 3: Carta de Plasticidad - Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. Figura 4: Carta de Plasticidad asociada a la Actividad del Suelo Clasificación propuesta por Vargas. Entre los aspectos relevantes de la clasificación según el Sistema Unificado, se destaca el hecho de que el suelo del sitio 1 que resulta el de mayor contenido de arcilla, es clasificado como un limo de alta plasticidad (MH), mientras que los suelos de los sitios 3 y 4, que poseen menor contenido de arcilla en su composición granulométrica son clasificados como arcillas de alta plasticidad (CH).

6 Por otro lado, el suelo del sitio 2 es clasificado como un limo de baja plasticidad (ML), lo cual se condice con el contenido de fracción arcillosa y preponderantemente limosa que posee. En este sistema, es de subrayar que los resultados obtenidos por ambas alternativas de secado del suelo, no producen cambio alguno en la clasificación obtenida en la Carta de Plasticidad. El sistema de clasificación propuesto por Vargas permite determinar las características mineralógicas del suelo, haciendo uso de un análisis conjunto (plasticidad y actividad), caracterizando a los suelos del sitio 1, sitio 3, y sitio 4, como KL-KH, es decir arcillas de mediana a alta plasticidad de tipo caoliníticas, con índice de actividad relativamente bajo. Asimismo, el suelo del sitio 2 se clasifica como KL, es decir limos arcillosos de baja plasticidad de tipo caoliníticos con índice de actividad relativamente bajo. 4. CONCLUSIONES El presente trabajo permitió clasificar los suelos en estudio según dos sistemas de referencia, permitiendo establecer las siguientes observaciones: - La fracción fina promedio de las muestras de suelo para cada sitio de estudio, caracterizada por el pasante de tamiz 200, resulta en todos los casos superior al %. La fracción característica es la arcilla para el caso del sitio 1, sitio 3, y sitio 4, con contenidos de 75.2 %, 63.1 %, y 61.4 % respectivamente, mientras que en el caso del suelo del sitio 2, la fracción de mayor peso es el limo con un 72.1 % en promedio. - Los valores de los límites líquidos obtenidos de ensayos distribuidos proporcionalmente entre muestras secadas al aire y muestras secadas a estufa, indican el significativo efecto que tiene el método de secado previo del suelo en los resultados obtenidos. Asimismo, los resultados del límite plástico también presentan dependencia con la metodología de secado utilizada, pero los cambios resultan relativamente menores a la demostrada en el límite líquido. - Según el Sistema Unificado de Clasificación, el suelo del sitio 1 con valores medios de LL = 77.7 % e IP = 39.2 %, es clasificado como un limo de alta plasticidad (MH); el suelo del sitio 2 con valores medios de LL = 41.8 % e IP = 12.3 %, es clasificado como un limo de baja plasticidad (ML); el suelo del sitio 3 con valores medios de LL = 69.5 % e IP = 42.0 %, es clasificado como una arcilla de alta plasticidad (CH); al igual que el suelo del sitio 4, que con valores medios de LL = 75.9 % e IP = 45.4 %, también es clasificado como una arcilla de alta plasticidad (CH). - Según el Sistema de Clasificación propuesto por Vargas, en función de la plasticidad y la actividad de suelos, para el caso del sitio 1, sitio 3, y sitio 4, los suelos son clasificados como arcillas de mediana a alta plasticidad de tipo caoliníticas (KL KH), con índice de actividad relativamente bajo (0.5 a 0.8 %); mientras que el suelo del sitio 2, es clasificado como limo arcilloso de baja plasticidad de tipo caolinítica (KL), con índice de actividad también bajo (0.7 a 0.8 %). 5. REFERENCIAS 1. ASTM D : Standard Practice for Dry Preparation of Soil Samples for Particle Size Analysis and Determination of Soil Constants. American Society for testing and Materials. Annual Book of ASTM Standards. 2. ASTM D : Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils. American Society for testing and Materials. Annual Book of ASTM Standards. 3. ASTM D : Standard Test Method for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils. American Society for Testing and Materials. Annual Book of ASTM Standards. 4. ASTM D : Standard Test Method for Shrinkage Factors of Soils by the Wax Method. American Society for Testing and Materials. Annual Book of ASTM Standards. 5. D. Avila: Conceptos Básicos de Suelos Residuales ; Revista Geotecnia, 2003, Vol. 6, pp M. Das Braja: Fundamentos de la Ingeniería Geotécnica ; 2001, Thompson-Learning. 7. K. Terzaghi y R. Peck: Soil Mechanics in Engineering Practice ; 1978, John Wiley & Sons. 8. M. Vargas: Some Engineering Properties of Residual Clay Soils Occurring in Southern Brazil ; Proceedings of the 3rd International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1953, pp