estudio del comportamiento de terraplenes modificados con
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Estudio del Comportamiento de Terraplenes
Modificados con Poli-Acrilato de Sodio considerando el
efecto de la Inundación
Natalia Rodado Bernal, Bernardo Caicedo Hormaza
(Universidad de los Andes, Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Cra 1E # 19ª-40,
Edificio ML Piso 6, Bogotá, Colombia, [email protected], [email protected])
ABSTRACT
Diferentes regiones en el mundo se encuentran actualmente sufriendo de problemas ocasionados por los fuertes inviernos, los cuales afectan de forma importante a las vías que sirven como medio de comunicación entre distintas regiones y municipios. En el Departamento del Vichada ocurre un caso particular donde el agua producto de la lluvia inunda los terraplenes de las vías produciendo problemas de subsidencia e inestabilidad. Estos problemas convierten a estas vías en zonas intransitables lo cual afecta significativamente no solo las rutas de comunicación dentro del departamento sino con el resto del país. Todas estas complicaciones originan el propósito de este estudio que investiga un polímero conocido como Poliacrilato de Sodio o SAP, como un producto que podría reducir la permeabilidad de los suelos con los que se construyen estas estructuras geotécnicas, con el fin de poder controlar el agua que llega a estos. Durante este estudio, se realizaron ensayos de permeabilidad con diferentes materiales utilizados en la construcción de vías en el Vichada y diferentes porcentajes del polímero. Adicionalmente, se realizaron modelos a escala real de terraplenes en centrífuga, también variando el porcentaje de adición del polímero. Finalmente, este estudio muestra las curvas de retención del polímero y de la interacción con uno de los suelos. Se encontró que los porcentajes óptimos varían dependiendo del tipo de material. Para un suelo laterítico que es más granular se encontró que el porcentaje óptimo para reducir la permeabilidad es del 1%. Sin embargo, para un material más fino como lo fue una arena arcillosa el porcentaje fue del 0.1%.
KEYWORDS: Arena Arcillosa, Suelos Lateríticos, Poliacrilato de Sodio, SAP, Permeabilidad, Curva de Retención, Terraplenes, Inundación.
1. INTRODUCCIÓN
El Vichada es el departamento más grande
de Colombia, ubicado en la zona oriental
del país. Esta región durante largos
períodos del año se ve afectada por fuertes
lluvias las cuales terminan ocasionando
graves problemas en las vías de
comunicación entre regiones del
departamento, lo que producen varias
dificultades de tipo social y económico
que hacen que la región no pueda tener un
desarrollo óptimo y que adicionalmente
no haya una calidad de vida para los
habitantes, debido a que para trasportarse
de una zona a otra deben recorrer caminos
de varios días.
Los graves problemas de lluvia han
ocasionado que esta zona tenga fuertes
complicaciones de inundaciones y que los
caminos se vuelvan intransitables, haciendo
que los viajes terrestres realizados entre
distintos municipios se prolonguen por largas
horas o días. Es por esta razón que es de vital
importancia la invención de nuevos métodos
constructivos que permitan la disminución de
la permeabilidad del suelo y que proteja a esta
zona de los fuertes impactos meteorológicos a
los cuales se ve expuesta.
Uno de los principales materiales en la
construcción de vías actualmente utilizados
por el Vichada es la laterita o como en la zona
se conoce como “Ripio”. Este es un suelo de
tipo ferroso que tiene una gran capacidad de
resistencia. También se cuenta en la zona con
una arena arcillosa que se extiende a lo largo
del Departamento. Estos dos materiales tienen
en común el hecho de ser utilizados en la
construcción de las vías del Vichada. En esta
investigación se estudia la implementación del
polímero conocido como Poliacrilato de Sodio
(SAP), como un material para lograr la
reducción en la permeabilidad tanto de los
suelos lateríticos como de los suelos de tipo
más fino.
Actualmente, este producto es comúnmente
utilizado en la fabricación de pañales debido a
su alta capacidad de absorción, la cual es hasta
de 1000 veces su propio peso (HERFERT,
Abril). Esto hace que el objetivo de este
trabajo sea el de lograr que al realizar una
mezcla de laterita con SAP y arena arcillosa
con SAP en distintos porcentajes, el polímero
se introduzca en los poros de los suelos,
haciendo que cuando llegue el agua al
material, el polímero se expanda y funcione
como un tapón que disminuya de forma
considerable el paso del agua por el suelo y así
mismo por las estructuras geotécnicas que con
este material son construidas.
Para lograr el objetivo del estudio se realizaron
distintas pruebas de permeabilidad a cabeza
constante con el propósito de observar la
variación de la constante de permeabilidad (k)
con los distintos porcentajes de poliacrilato de
sodio aplicados y lograr definir un óptimo que
reduzca en forma significativa esta variable.
Además se realizó una modelación a escala de
terraplenes construidos tanto con laterita como
con suelos más finos y ambos mezclados con
distintos porcentajes de poliacrilato de sodio
para tener una representación a escala real del
efecto de la inundación en estructuras
geotécnicas. Finalmente, se realizaron curvas
de permeabilidad para observar la interacción
entre agua, suelo y polímero.
2. METODOLOGÍA E INSTRUMENTACIÓN:
2.1. Caracterización SAP:
La etapa inicial consistió en conocer las
características físicas del polímero, con el
propósito de definir los parámetros de la
laterita y de la arena arcillosa con los que se
debía trabajar para que el SAP actúe de forma
adecuada. A continuación, se muestra la tabla
con los datos técnicos del poliacrilato de
sodio:
Tabla 1 Tabla Datos Técnicos Poliacrilato de Sodio
(Herfert, Mitchell, Woodrum, & Chiang, 2006)
Datos Técnicos
Fórmula Molecular:
[CH2CH(CO2Na)]
TLV (Polvo Fino): 6mg/m3
Adsorción Teórica 1000 veces su
peso con agua destilada (Herbert,
2006)
Adsorción Experimental 130 veces
su propio peso con agua destilada y
30 veces su peso con suero
intravenoso
Después de tener estos datos y conocer su
capacidad de absorción se realizó la curva
granulométrica del SAP. Esto se hace con el
objetivo de definir los tamaños de laterita y
arena arcillosa que serían los más adecuados
de utilizar para de garantizar que el polímero
se introduzca en los poros de la laterita. A
continuación, se muestra la curva obtenida:
Figura 1 Curva de distribución Granulométrica
del Poliacrilato de Sodio
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
0.05 0.5 5% P
asa
en
Pes
o
diámetro (mm)
El objetivo de realizar esta curva es conocer la
distribución de tamaños de los diámetros de
las partículas que componen este material. Por
medio de la realización de esta curva se pudo
concluir que la mayor parte del material se
encuentra distribuido en el tamiz 30, la cual
corresponde a un diámetro de partículas de 0.6
mm, por esta razón se decide trabajar con una
laterita que se encuentre distribuida entre los
tamices 3/8 y No 4, que corresponde a los
diámetros de partículas comprendidos entre
los tamaños 4.75 mm y 9.5mm. Estos tamaños
son escogidos con el objetivo de que las
partículas tengan poros de tales tamaños que
permitan que el SAP se introduzca en ellos y
los tape.
2.2 Realización Ensayos de Permeabilidad
Para determinar el porcentaje para la
estabilización con SAP, se realizó un montaje
cúbico compuesto por 5 sensores de humedad
distribuidos de la siguiente forma: Tres en las
caras frontales y dos en la cara posterior del
cubo. Los sensores utilizados son los Decagon
EC-5 Moisture mostrados a continuación:
Figura 2 Sensores Decagon EC-5 Moisture Utilizados
para la medición de la humedad de los ensayos de
permeabilidad
Figura 3 Montaje para la realización de los ensayos de
permeabilidad con cabeza constante y medición de
humedades.
Adicionalmente, se muestra a continuación el
esquema de la ubicación de los sensores. Es
importante para el análisis de resultados tener
en cuenta la ubicación de los sensores S1, S2,
S3, S4 y S5 la cual es proporcional a la altura
de cada sensor.
Figura 4 Ubicación de los sensores durante la
realización de los ensayos de permeabilidad.
Otro parámetro que fue fundamental en el
desarrollo de la metodología descrita, fue
escoger la altura de la cabeza constante de
agua a la cual se deseaba realizar el ensayo.
Para determinar esta variable se realizó un
ensayo en el cual con un porcentaje bajo de
SAP (0.2%), se puso una altura de la cabeza de
agua del doble de la altura del montaje como
lo muestra la siguiente ilustración:
Figura 5 Altura de la cabeza de agua del doble de la
altura del montaje
Después de realizar este ensayo se pudo ver
que como se esperaba, sí se formaba el tapón
de agua y que en el último sensor no se tenía
lecturas de humedad significantes que
mostraran el paso de agua a esta altura. Sin
embargo, debido a este resultado se decidió
trabajar con una altura de agua de 2 metros, la
cual fuera más representativa de la zona y que
además diera resultados que pudieran ser más
concluyentes. Para mantener la cabeza de agua
a esta altura se realizó un montaje como lo
muestra la siguiente imagen, el cual era
controlado por una bomba y un flotador que se
activaba cuando la cabeza disminuía un
centímetro de altura.
Figura 6 Montaje para mantener la Cabeza constante de
Agua de 2m
Por último, se tenía inconvenientes al mezclar
la laterita con el SAP debido a que como este
era de un tamaño mucho menor se segregaba
para el fondo del recipiente, por lo cual se optó
por realizar 5 capas del material que en su
totalidad fueran el equivalente en peso del
porcentaje que se deseaba aplicar, estas capas
fueron puestas antes y después de llegar a los
sensores como lo muestra la siguiente figura:
Figura 7 Aplicación por capas de poliacrilato de sodio para la realización de los ensayos de permeabilidad.
2.3. Realización Ensayos de Terraplenes
Después de haber realizado los ensayos de
permeabilidad y de haber obtenido un
porcentaje funcional en cuanto al logro de la
reducción de la permeabilidad de la laterita, se
procedió a realizar terraplenes con el fin de
evaluar la posibilidad del uso de este material
(SAP) en los terraplenes.
Lo primero que se hizo fue la construcción de
un molde cúbico con las dimensiones
mostradas a continuación:
Figura 8 Molde utilizado para la construcción de
terraplenes
Adicionalmente, a los moldes se les
implementó 5 sensores de humedad de las
mismas características a los utilizados para el
ensayo de permeabilidad, se escogió las
dimensiones del terraplén y los sensores
fueron colocados de tal forma que cubrieran la
mayor parte de este como se muestra en la
siguiente figura. Se tenían dos terraplenes
distintos, unos fueron utilizados para la
realización de terraplenes de laterita y otra
para la realización de terraplenes con arena
arcillosa.
30 cm
35 cm
cm
25 cm
Figura 9 Ubicación de sensores para ensayos de
terraplenes de laterita
Figura 10 Ubicación de sensores para ensayos de
terraplenes de limo arcilloso
La granulometría utilizada para los ensayos de
laterita es la misma de la mostrada en la figura
14, ya que esta fue la granulometría con la que
se obtuvieron resultados óptimos. La
granulometría utilizada para la arena arcillosa
se muestra en la figura 24. A continuación, se
muestran algunas fotografías de cómo se ven
los terraplenes al final de su construcción.
Figura 11 Construcción Final de Terraplenes con
Laterita.
Figura 12 Construcción Final de Terraplenes con
Arena Arcillosa
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS
3.1. Ensayos de Permeabilidad de la
Laterita:
El gráfico siguiente presenta las curvas de
medición de cada sensor, en donde s1, s2, s3,
s4 y s5 corresponden a los resultados de los
cinco sensores distribuidos y ubicados como
se observa en la figura 9. En este ensayo
también se midió la conductividad hidráulica
del material estabilizado, k, la cual es un
indicador de la permeabilidad del material.
Como ya se dijo, el suelo laterítico que fue
utilizado para el estudio fue tamizado entre los
tamices número 4 y 3/8. Debido a que la
mayoría del SAP se encuentran dentro de los
tamices número 30 y se tiene que para que el
material SAP pueda entrar a los poros de la
laterita, el tamaño de ésta debe ser mínimo 6
veces superior a la del poli-acrilato, la cabeza
con la cual se realizó el ensayo fue de 2 m de
altura. La primera prueba se realizó con una
muestra de laterita de control (i.e., sin
presencia de SAP) y posteriormente se
realizaron tres pruebas adicionales con el
material estabilizado al 0.22, 0.35 y 1% de
SAP
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 13 Resultados del aumento de la humedad
en el suelo de laterita estabilizado con: a) 0% de
SAP, b) 0.22% de SAP, c) 0.35% de SAP, y d) 1%
de SAP.
Adicionalmente, en la tabla siguiente se
presentan los resultados correspondientes de la
medición de la constante de permeabilidad, la
cual fue obtenida a partir de la medición de los
caudales de salida y de la geometría del
modelo.
Tabla 2. Resultados permeabilidad Laterita y SAP
Parámetros Laterita Laterita +
0.22% SAP
Laterita +
0.35%
SAP
Laterita +
1.0% SAP
Q de
salida(cm3/s) 2.778 2.174 2.273 0.001
K (cm/s) 0.00531 0.00416 0.00435 2.01E-05
T de
saturación
(min)
7.5 10.95 9.95 2.47
T al sensor
#5 (min) 7.0 9.35 6.75 1.68
Los resultados presentados con anterioridad
permiten observar cómo a medida que se
aumentaron los porcentajes de SAP la
constante de permeabilidad (k) disminuyó. El
ensayo de control sin SAP presentó una
constante de permeabilidad típica de gravas
(i.e., 0.00531 cm/s); cuando se aumentaron los
porcentajes del estabilizante estos valores
disminuyeron (i.e., una disminución del 99.6%
en el caso en el que se empleó 1% de SAP con
respecto al caso del material de control). Los
sensores mostraron que los ensayos sobre el
0
40
80
120
160
0 100 200 300 400 500
Hu
med
ad
(%
)
Tiempo (seg)
s1 s2 s3 s4 s5
0
40
80
120
160
0 100 200 300 400 500 600
Hu
med
ad
(%
)
Tiempo (seg)
s1 s2 s3 s4 s5
0
40
80
120
160
0 100 200 300 400
Hu
med
ad
(%
)
Tiempo (seg)
s1 s2 s3 s4 s5
0
40
80
120
160
0 30 60 90 120 150
Hu
med
ad
(%
)
Tiempo (seg)
s1 s2 s3 s4 s5
material estabilizado al 0.22% y 0.35% de
SAP alcanzaron un estado de sobresaturación
(i.e., flujo libre de agua). Sin embargo, el
ensayo sobre el material modificado al 1% de
SAP muestra que el agua nunca alcanzó al
sensor s5 con el mismo grado de saturación
que en los sensores anteriores. En cuanto a los
tiempos en los cuales el material alcanza la
saturación, se puede ver el ensayo en dónde
esta condición se alcanzó más rápido, fue en el
caso con estabilización al 1% (i.e., 1:41
minutos), lo cual se puede deber a que el SAP
es un polímero con alta capacidad de succión.
Los resultados obtenidos sugieren que
estabilizar el material con 1% de SAP, podría
proveer un material apropiado para la
construcción de estructuras geotécnicas que
van a estar expuestas a inundaciones.
Adicionalmente, al ensayo del 1% se le realizó
un análisis de su curva granulométrica, pues
este es un factor que influye de forma
considerable en los ensayos de permeabilidad
y en caso de querer replicarse el ensayo se
debe tener en cuenta este aspecto.
Figura 14 Granulometría laterita estabilizada con
poliacrilato de sodio al 1%
Finalmente, es importante observar el cambio
físico que presentó el SAP en los ensayos
antes, durante y después de su realización. Tal
y como lo muestran las siguientes imágenes:
Figura 15 SAP antes del ensayo (b) SAP durante el
ensayo (C) SAP después del ensayo
Estas imágenes nos permiten concluir que el
SAP es un polímero que cambia su estructura
física con la presencia de agua. Este es un
aspecto que debe ser tenido en cuenta cuando
se escoja la estructura geotécnica a la cual se
desea implementar. Para tener un análisis más
detallado de este tema se realizó un análisis
por medio de un microscopio digital, el cual se
muestra en las siguientes imágenes:
Figura 16 Cambio estructura del poliacrilato de sodio
en presencia de agua
3.2. Ensayos de Terraplenes:
3.2.1. Ensayos con Laterita
3.2.1.1. Laterita y SAP 1%
Se realizó un ensayo control en un vuelo en
centrífuga a 20g y otro con laterita y 1% de
SAP (porcentaje en peso), el cual fue el
resultado óptimo encontrado para la laterita en
los ensayos de permeabilidad a cabeza
constante realizados anteriormente.
En las gráficas siguientes se puede observar en
la Figura 19(a) que en comparación con la
Figura 19(b), el SAP tiene importantes
efectos. En primer lugar, los sensores
empiezan a saturarse mucho tiempo antes en el
ensayo del SAP, lo cual también ocurría en los
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
0.0120.121.2
(%)
Pa
sa e
n P
eso
diámetros (mm)
ensayos de permeabilidad y es ocasionado por
la gran capacidad de succión que posee el
polímero. En segundo lugar, durante los 2250
segundos se manejó una altura de agua igual a
la altura del terraplén y se puede ver como el
sensor dos, el cual es uno de los que se
encuentra en la parte más cercana a la corona
del terraplén, no se satura durante este tiempo.
Esto un indicador de que el tapón producido
por el polímero sí se formó tal y como se
esperaba. Sin embargo, en la anterior figura se
ve como en un momento el sensor se satura en
pocos segundos, lo cual es ocasionado porque
la cabeza de agua en ese momento se sube a
una altura superior a la corona del terraplén, lo
cual produce que el tapón formado por el
polímero se rompa.
Figura 17 Ensayo de terraplén con laterita al 100%
Figura 18 Ensayo de terraplén con laterita y SAP al 1%
Sin embargo, aunque los resultados
anteriormente mostrados corresponden a lo
esperado, la siguiente imagen muestra que
hubo un problema estructural con los
terraplenes y el SAP, ya que este tiene una
fuerza tal que expande los terraplenes
haciendo que estos no conserven la totalidad
de su forma.
(a)
(b)
Figura 19 Expansión de Terraplenes Lateríticos por el
efecto del Poliacrilato de Sodio (a) Etapa inicial (b)
Etapa final del vuelo
Para observar de una forma cuantitativa las
expansiones producidas se realizó un análisis
de contornos por medio de la herramienta de
Autocad, para posteriormente medir las
expansiones cada 1 cm del modelo. En la
siguiente imagen se muestra la expansión en el
tiempo:
Figura 20 Expansión del terraplén con el paso del
tiempo.
0
30
60
90
120
150
180
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
hu
me
da
d (
%)
tiempo (días)
Sensor 1.Sensor 2.Sensor 3.Sensor 4Sensor 5
0 días
4.5 días
9 días
13.5 días
18 días 0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
hu
me
da
d (
%)
tiempo (s)
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
Sensor 4
Sensor 5
Paro de Vuelo Inicio de Vuelo
Es importante tener en cuenta que como lo
indica la figura 18, el vuelo en centrífuga no
fue continuo, sino que por el contrario se
detuvo y esto aumentó la expansión generada.
A continuación, se evidencia el efecto de la
centrífuga.
Figura 21 Expansión causada por el modelo en vuelo y
por el modelo cuando la centrífuga se detiene.
Por medio de la herramienta de AutoCAD, se
realizó el cálculo de las expansiones verticales
entre el día 0 y el día 18. Estas se muestran en
la siguiente gráfica.
Figura 22 Valores de la expansión de los terraplenes
de laterita con SAP al 1%
3.2.1.1. Laterita y SAP 0.3%
Para controlar este problema de expansiones
producidas en el ensayo de SAP al 1%, se
disminuyeron los porcentajes a un 0.3% de
SAP y se obtuvieron los resultados que se
muestra en la Figura 23.
Según este ensayo se pudo observar que con
este porcentaje no se tiene formación de un
tapón, por lo cual al bajar el porcentaje no es
una buena alternativa ya que se perderá el
efecto, es por esto que se cambió a un material
de tipo más fino que la laterita con el objetivo
de tener una mejor interacción entre el
polímero y el suelo fino.
Figura 23 Ensayo Terraplén Laterítico con SAP al
0.3%
3.2.1. Ensayos con Arena Arcillosa:
En el Vichada, además de contar con un suelo
laterítico, también existe un suelo de tipo más
fino. En este estudio, aunque no se trabajó con
un suelo propio del Vichada, se trabajó con un
suelo que se podría obtener con los materiales
que se encuentran en la región. A
continuación, se muestra la granulometría
utilizada.
Figura 24 Granulometría de Terraplenes de arena
arcillosa.
El suelo es una mezcla de 88% Arena y 12%
Limo Arcilloso. El cual es un suelo B31 según
la clasificación francesa LCPC y B31 según la
clasificación AASHTO (Murillo Feo, 2006).
El polímero utilizado fue triturado para
llevarlo a un tamiz 200, debido a que los poros
de la arena arcillosa tiene un diámetro mucho
menor.
0
0.5
1
1.5
0
20
40
60
80
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
exp
an
sió
n (
m)
exp
an
sió
n (
mm
)
Distancia (cm)
Terminadoel VueloEn el Vuelo
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
hu
me
dad
(%
)
tiempo (días)
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
Sensor 4.
Sensor 5
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
0.05 0.5 5
% P
as
ae
nP
es
o
diámetro (mm)
Antes del Vuelo
En Vuelo
Fin del Vuelo
3.2.1.1. Ensayos Arena Arcillosa y SAP 100%
A continuación, se muestra el resultado del
ensayo control donde solo se trabajó con la
arena arcillosa al 100%. Tal y como lo muestra
la siguiente figura.
Figura 25 Ensayo Terraplén Arena Arcillosa 100%
Posteriormente, se realizó un ensayo con un
porcentaje del polímero del 0.5 % en peso. A
continuación, se muestran los resultados
obtenidos.
3.2.1.2. Ensayos Arena Arcillosa y SAP 0.5%
Como se muestra en las siguientes imágenes,
la expansión en el terraplén fue muy
significativa tal y como se ve en las figura 27b.
Figura 26 Ensayo Terraplén Arena Arcillosa con SAP al
0.3%
(a)
(b)
Figura 27 Expansión de Terraplenes de Arena
Arcillosas por el efecto del Poliacrilato de Sodio (a)
Etapa inicial (b) Etapa final del vuelo
Al obtener unas expansiones de la magnitud
mostrada, se decidió realizar varias
modificaciones entre los ensayos que se
estaban realizando y se optó por la
implementación de geoceldas, en el espaldón
del terraplén. Adicionalmente, el polímero se
aplicaría solamente en el espaldón del
terraplén y solo se inundaría esta parte de la
estructura geotécnica, con el objetivo de poder
observar de una manera más eficaz la
resistencia al paso del agua producida por el
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
hu
med
ad
(%
)
tiempo (días)
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
Sensor 5
0
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
hu
me
dad
(%
)
tiempo (días)
Sensor 1
Sensor 2.
Sensor 3
Sensor 4
Sensor 5
polímero. En la figura siguiente se observa la
geometría del terraplén con las geoceldas.
Figura 28 Prototipo de Terraplén con Geoceldas
Al realizar los ensayos en centrífuga, el agua
tomaba caminos que no eran los esperados.
Por esto, se decidió realizar ensayos a 1
gravedad con el objetivo de poder visualizar el
fenómeno.
En los ensayos a 1 gravedad se observó que las
geoceldas al expandirse el polímero, se
contraían entre ellas formando pozos y
caminos por donde podía pasar el agua, tal y
como muestran la figura 29. Debido a estos
resultados, se optó por dejar de trabajar con las
geoceldas pero seguir realizando ensayos a
una gravedad, con el objetivo de observar la
respuesta del material y la estructura en una
menor escala.
Figura 29 Daños de la formación de pozos en el
terraplén y contracción de gelceldas.
Adicionalmente, con el fin de tener un menor
grado de expansión, se escogió un porcentaje
del polímero del 0.1%.
3.2.1.3. Ensayos Arena Arcillosa 100% 1G
En primer lugar, antes de realizar un ensayo
con porcentajes del polímero se realizó un
ensayo de control donde se tenía 100% arena
arcillosa y sin geoceldas. Este ensayo se
realiza con el objetivo de tener una prueba cero
con la cual se puedan comparar los ensayos
que sí cuentan con una adición de un
porcentaje de SAP.
Los resultados de este ensayo se muestran en
la gráfica a continuación, donde se encuentran
los resultados esperados ya que todos los
sensores muestran un estado de saturación
distanciado entre tiempos de llegada, lo cual es
producido por la distancia entre los sensores.
.
Figura 30 Ensayo Terraplén Arena Arcillosa 100% a 1
gravedad
3.2.1.4. Ensayos Arena Arcillosa y SAP 0.1%
a 1 gravedad
Figura 31 Ensayo Terraplén Arena Arcillosa 0.1% a 1
gravedad
Se encuentran resultados óptimos debido a que
los sensores ubicados en la corona del
terraplén nunca registraron lectura de
humedad, lo cual indica que el espaldón del
terraplén si formó un tapón. Adicionalmente,
otro efecto que se observó fue el de la
expansión, la cual aunque estuvo presente en
el ensayo a 1 gravedad no fue tan significante
como en los casos anteriores y además por
tratarse de un modelo a 1 gravedad los efectos
de expansión son mayores que los producidos
a veinte gravedades, debido a que el modelo
no se encuentra en su estado a escala real. En
este caso también se realizó un análisis de
contornos para evaluar las expansiones
verticales.
Figura 33 Valores de la expansión de los terraplenes de
laterita con SAP al 0.1% y 1G
Los ensayos tuvieron expansiones menores a
los 25 centímetros, adicionalmente el análisis
de contornos se observa que las expansiones
de mayor tamaño las presenta el espaldón del
terraplén, lo cual es lo esperado ya que es la
parte donde está ubicado el polímero. Como se
explicó anteriormente, debido a que el modelo
se realizó a 1 gravedad, las dimensiones de la
expansión no son representativas de un
terraplén construido a escala real.
3.2.1.5. Ensayos Arena Arcillosa100% 1G
Con los resultados obtenidos en el ensayo
ejecutado a 1 gravedad se procedió a realizar
un ensayo a 20 gravedades. A continuación,
se muestran los resultados obtenidos.
0
5
10
15
20
25
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
hu
me
da
d (
%)
tiempo (s)
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
Sensor 5
0
5
10
15
20
25
0 3000 6000 9000 12000 15000
hu
me
da
d (
%)
tiempo(s)
Sensor 1.Sensor 2.Sensor 3Sensor 5
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
exp
an
sió
n (
mm
)
Distancia (cm)
0 días
10 días
20 días
30 días
Figura 32 Expansión del terraplén con el paso del tiempo
para una arena arcillosa a 1G
Figura 34 Ensayo Terraplén Arena Arcillosa 0.1% a 20
gravedades
Podemos ver que los resultados son los
esperados si se compara con la figura 25, ya
que se ven importantes distancias entre los
tiempos de llegada al último sensor. Cuando se
realizó una revisión de lo sucedido, se pudo
comprobar que efectivamente el tapón de agua
también se formó pero que no se controló un
efecto producido por las paredes, por donde el
agua encontró camino y pasó a la corona del
terraplén ascendiendo a través del suelo y
llegando finalmente a los sensores. En cuanto
a la expansión esta fue mínima y se muestran
en las gráficas siguientes.
Figura 35 Expansión del terraplén con el paso del
tiempo. Para una arena arcillosa a 20G estabilizada
con un polímero al 0.1%.
Figura 36 Valores de la expansión de los terraplenes de
laterita con SAP al 0.1% y 1G
Finalmente, para estos últimos modelos
realizados en centrífuga y con los cuales se
obtuvieron los resultados más satisfactorios,
se realizaron gráficas para comparar el efecto
que tiene el polímero SAP en estas estructuras.
Para esto se compararon los sensores 1 y 5 los
cuales se encontraban más cerca y más lejos
respectivamente a la llegada del agua. Esta
comparación se realizó tanto para los ensayos
a 1G como para los ensayos realizados a 20 G.
Los resultados se presentan a continuación:
Figura 37 Comparación ensayo con y sin polímero (1G)
Se pueden ver que los resultados son los
esperados, ya que en el mismo rango de
tiempo medido los sensores que tenían SAP
nunca registraron medición. Estos sensores
con SAP registraron medidas tiempo después
de los 3000 segundos.
A continuación, se muestran los resultados
para el ensayo realizado a 20 g.
Figura 38 Comparación ensayo con y sin polímero (20
G)
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
hu
me
da
d (
%)
tiempo (días)
Sensor 1Sensor 2Sensor 3Sensor 5
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
-10
-5
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
exp
an
sió
n(m
)
exp
an
sió
n(m
m)
Distancia (cm)
Arena 0.1% SAP
0
5
10
15
20
25
0 1000 2000 3000
hu
me
dad
(%)
tiempo (s)
Sensor 1 Sin SapSensor 5 Sin SapSensor 1 con SAPSensor 5 con SAP
0
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617
hu
me
dad
(%
)
tiempo (díass)
Sensor 1 Sin SAPSensor 5 Sin SAPSensor 1 Con SAPSensor 5 Con SAP
Los resultados de este ensayo muestran que el
sensor 1 con SAP que más cerca se encontraba
a la llegada del agua, tiene contacto con esta
en un menor tiempo, lo cual se explica por la
gran capacidad de succión que alcanza este
material. Sin embargo, para el sensor 5 se
muestra un distanciamiento significativo entre
los tiempos de llegada.
3.3. Ensayos de Permeabilidad de la
Arena Arcillosa:
Para los ensayos de permeabilidad de la
arena arcillosa, se realizó un ensayo
estándar con una cabeza constante de 1 m
como lo muestra la siguiente imagen:
Figura 39. Ensayos de Permeabilidad
Se realizaron dos ensayos de permeabilidad,
uno en el cual se utilizó arena arcillosa al
100% y otro en el cual se realizó arena
arcillosa y SAP de 0.1%.
(a) (b)
Figura 40 (a) Molde de permeabilidad arena arcillosa
100% (b) Molde de permeabilidad arena arcillosa y SAP
0.1%.
A continuación se muestran los resultados de
la constante de permeabilidad (k) obtenidos.
Tabla 3 Resultado constante de permeabilidad
Parámetros Laterita Laterita + 0.22% SAP
K (mm/s) 2.2*10 -4 8.89*10 -6
3.3. Curva de Retención:
Adicionalmente, también fueron realizadas las
curvas de retención del SAP, de la arena y de
la interacción de la arena y el SAP. Estas
curvas, se realizan con el objetivo de observar
la interacción de agua, polímero y arena.
En la curva del SAP se realizó 2 ciclos de
humedecimiento y secado
Figura 41 Curva de retención Poliacrilato de Sodio
Figura 42 Curva de retención Arena Arcillosa
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1 10 100 1000
hu
me
da
d (
%)
Succión (MPa)
Ciclo 1
Ciclo 2
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0.1 1 10 100 1000
hu
me
da
d (
%)
Succión (MPa)
Secado
Humedecimiento
Figura 43 Curva de retención Arena Arcillosa y
Poliacrilato de Sodio
La curva del poliacrilato de sodio muestra una
muy baja histéresis lo cual es un indicador de
que en una época de lluvia podría soportar
varios ciclos, teniendo el mismo efecto de
absorción del agua.
Adicionalmente, la curva de la arena arcillosa
muestra una histéresis que es típica en este tipo
de materiales. El resultado más interesante se
encuentra para la gráfica de la arena y el
polímero ya que aunque la gráfica tiene un
comportamiento entre los rangos de la Figura
42, la histéresis tiene una reducción
significativa que es atribuida al polímero.
4. CONCLUSIONES:
El Poliacrilato de Sodio es un polímero que
cuenta con efectos importantes en la reducción
de la permeabilidad tanto en los materiales de
tipo laterítico o en suelos como arenas
arcillosas.
El Poliacrilato de Sodio produce expansiones
significativas, por lo cual cuando estos son
utilizados para la construcción de estructuras
geotécnicas como los terraplenes es
importante controlar el porcentaje que se va a
agregar para que el terraplén sea capaz de
conservar su estructura durante el proceso de
inundación.
La dosis óptima de poliacrilato de sodio que se
encontró para terraplenes fabricados con arena
arcillosa es el 0.1% ya que no produce
expansiones importantes, pero en cambio sí
produce retardos en la llegadas de agua desde
el espaldón del terraplén hasta su corona.
Debido a que los materiales lateríticos
contienen una cantidad de poros mayor, el
porcentaje en el cual se podía observar una
importante acción del polímero en la
reducción de la permeabilidad fue del 1%. Se
debe tener en cuenta que este valor causa
importantes magnitudes de expansión en el
material por lo cual se debe tener atención en
la implementación que se le quiera hacer.
Las curvas de retención del poliacrilato de
sodio muestran una baja histéresis lo cual
indica que el material cuenta con una buena
capacidad de recuperación haciendo que
soporte varios ciclos de lluvia.
Las curvas de retención de la arena tienen un
comportamiento típico con una histéresis
considerable. Sin embargo, al este ser
mezclado con el poliacrilato de sodio
disminuye su histéresis pero los rangos son
muy parecidos a los de la arena lo cual es
esperado ya que esta es el 99% de la muestra.
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http://es.slideshare.net/LabFerrer/qu-
son-las-curvas-de-retencion-de-
humedad-del-suelo
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0.1 1 10 100 1000
Hu
me
da
d (
%)
Succión (MPa)
Secado
Humedecimiento
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