Efecto del roce lateral en la respuesta volumétrica de muestras de arcilla altamente compactada sometidas a ensayos edométricos

Duilio Marcial¹, Yu Jun Cui², Pierre Delage²

¹ Instituto de Materiales y Modelos Estructurales, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, Apartado 50.361, Caracas 1050-A, Venezuela; PH (212) 605-1743; FAX (212) 605-3135; e mail: marciald@ucv.ve

² Centre d’Enseignement et de Recherche en Mécanique des Sols, Ecole Nationale des Ponts et Chausées, 6-8 Av. B.Pascal, 77455 Marne la Vallée, Cedex 2, Paris, France; PH (1) 64153544; FAX (1) 64153562; e-mail: delage@cermes.enpa.fr; cui@cermes.enpc.fr

Resumen

El uso del ensayo edométrico para determinar la respuesta volumétrica de muestras de suelo data de los orígenes de la mecánica de suelos. Por lo general, el uso del ensayo ha estado enmarcado en el estudio de muestras naturales talladas en anillos de pared delgada, sin generar un estado de esfuerzos iniciales que perturbe la respuesta volumétrica del material. Sin embargo, en el marco del estudio del comportamiento de barreras de arcilla para el aislamiento de desechos nucleares se presenta la necesidad de ensayar materiales expansivos altamente compactados, por lo que este ensayo se ha estado utilizando con muestras compactadas directamente en el anillo edométrico, introduciendo un estado inicial de esfuerzos que afecta la respuesta volumétrica del material por efectos de roce lateral. En este artículo se presentan resultados de ensayos de hidratación, sobre muestras de una arcilla expansiva compactada, realizados para mostrar dichos efectos y que permiten mostrar la importancia del protocolo de preparación de las muestras, lo cual es el objetivo principal de este trabajo.

Palabras Claves: Arcillas, Expansividad, Ensayos Edométricos, Fricción Lateral.

EFFECT OF LATERAL FRICTION IN THE VOLUMETRIC RESPONSE OF HIGHLY COMPACTED CLAY SAMPLES SUBMITTED TO OEDOMETRIC TEST

ABSTRACT

The use of oedometer test to determine the volumetric response of soil samples dates from the beginnings of soil mechanics. Currently, the use of the test has been focused in the study of natural samples that are trimmed in thin wall rings, which do not generate initial stress states that could perturb the volumetric response of the sample. However, due to the increasing interest in studing highly compacted swelling soils, in the case of engineered barriers for nuclear waste disposal, this test has been conducted on samples directly compacted in the oedometer ring. This practice introduces an initial stress state that affects the volumetric response due to frictional effects. In this paper, some results of hydration tests on compacted swelling clay are presented to point out such effects, permitting to show the relevance of the way the samples are prepared, which is the goal of this work.

Key words: Clays, Swelling, Oedometer Tests, Lateral Friction.

Recibido: 10/10/05   Revisdado: 19/07/06   Aceptado: 15/08/06

1. Introducción

Al revisar la literatura, encontramos en trabajos recientes sobre el comportamiento termo – hidro – mecánico de barreras de ingeniería (Yahia-Aissa 1999, Romero 1999, Villar 2000, Loiseau 2001, Pintado 2002), relacionados con la realización de ensayos edométricos sobre arcillas expansivas compactadas, que el suelo es compactado directamente en el anillo edométrico donde se va a ensayar. Esto trae como consecuencia lógica la generación de un esfuerzo lateral residual, luego de terminada la compactación, que restringe en cierto grado la deformación axial.

Siendo que el estado inicial de esfuerzos debe jugar un rol esencial en la respuesta volumétrica del suelo, a través del roce lateral entre la muestra y el anillo edométrico, no parece conveniente compactar directamente la muestra dentro del mismo. En el caso de las arcillas, es muy posible que, debido al tamaño microscópico de las partículas, durante la compactación se genere un contacto íntimo entre la pared del anillo y el suelo, restringiendo de alguna manera la deformabilidad de la muestra. Este efecto será más acentuado en la medida en que la rugosidad de la pared del anillo edométrico aumente.

Para mostrar la importancia del protocolo de preparación de la muestra, lo cual es el objetivo principal de este trabajo, se realizaron dos ensayos de expansión libre a succión controlada sobre la bentonita MX-80, uno con la muestra compactada directamente en el anillo edométrico y otro con la muestra compactada en un molde y luego traspasada al anillo edométrico. Para comprender bien la diferencia de comportamiento en ambos casos, es necesario conocer el estado inicial de esfuerzos en la muestra, así como su evolución durante la hidratación. Por lo tanto, se diseñó un anillo edométrico instrumentado para medir el esfuerzo lateral, ya que en los ensayos edométricos se controla el esfuerzo vertical.

2. MATERIALES

Para este estudio se utilizó la bentonita MX-80, arcilla expansiva de referencia internacional. Los parámetros de identificación de esta arcilla se resumen en la Tabla 1

Tabla 1. Parámetros de identificación de la arcilla utilizada.

⁽¹⁾ Sauzeat et al. (2000) ⁽²⁾ Pusch (1982)

El material utilizado es una betonita comercial que viene suministrada en sacos de 25 kg, en forma de granulado, con un tamaño máximo de aproximadamente 2 mm. El granulado fue adecuadamente mezclado y cuarteado sucesivamente hasta obtener pequeñas porciones, de aproximadamente 200 g. Los resultados reportados en este trabajo fueron obtenidos con muestras preparadas a partir de una única porción, previamente equilibrada a una succión de 103 MPa, mediante el uso de una solución salina saturada de K₂CO₃. Para este nivel de succión, el material retiene un contenido de humedad de 8,24 %.

Para la preparación de las muestras se utilizó el método de compactación estática, mediante el uso de una prensa electromecánica de 250 kN, fijando una velocidad de deformación de 0,1 mm/min. Como se indicara en 1, ambos ensayos de expansión a succión controlada se realizaron con muestras preparadas siguiendo 2 modos de preparación diferentes, uno compactando directamente en el anillo edométrico y otro compactando en un molde aparte para luego traspasar la muestra al anillo edométrico.

Durante la fase inicial de preparación, el material es vertido suelto dentro del anillo edométrico o el molde de compactación, según sea el caso, con la ayuda de un embudo. En ambos casos, las paredes del anillo o del molde son prealablemente cubiertos de una fina capa de grasa de silicón para reducir los efectos del roce. Seguidamente, la superficie cónica del material vertido es aplanada gentilmente, y de forma manual, con la ayuda del pistón de compactación, efectuando simultáneamente un movimiento rotatorio para favorecer una distribución uniforme del granulado. Una vez nivelada la superficie de la muestra, el conjunto es colocado en la prensa y se aplica una precompresión de 100 kg a velocidad rápida (5 mm/min.), esto de manera de evitar una duración excesiva del proceso de compactación estática. Cabe destacar que en esta primera fase, la velocidad de compactación del granulado no es relevante, dado que el tamaño de los espacios intergranulares permite una adecuada evacuación del aire existente dentro de la muestra. A partir de este momento, y hasta obtener la densidad seca deseada de 1,7 Mg/m³, se mantiene una velocidad de compactación constante de 0,1 mm/min. Obviamente, durante el proceso de compactación, debe considerarse el rebote elástico de la muestra durante la descarga. Para obtener la densidad deseada luego del rebote, se debió aplicar un esfuerzo vertical de 39 MPa.

En el caso de la muestra compactada directamente en el anillo edométrico, una vez obtenida la densidad deseada la muestra está lista para ser montada en la celda edométrica y ser ensayada. En el segundo caso, la muestra se compacta en un molde de diámetro ligeramente inferior, de manera que al sacar la muestra del molde y experimentar el rebote elástico esta pueda ser introducida en el anillo edométrico con una ligera presión. Para este caso, el diámetro del anillo edométrico es de 38 mm, el diámetro del molde de compactación 37,96 mm, con lo cual debió aplicarse apenas una ligera presión de 25 kPa para introducir la muestra dentro del anillo edométrico engrasado.

Ambas muestras se prepararon con una altura inicial de 15 mm, una densidad de 1,7 Mg/m³ y fueron compactadas en una sola capa.

3. MÉtodoS

Para realizar los ensayos de expansión a succión controlada, se combinó el uso del ensayo edométrico con el método de control de succión por fase vapor. Adicionalmente, el anillo edométrico utilizado fue diseñado para monitorear el esfuerzo lateral. A continuación se describen algunos aspectos del montaje experimental utilizado.

3.1 Control de la Succión

Esteban & Sáez (1988) fueron los primeros en adaptar el método de la fase vapor a ensayos geotécnicos, realizando ensayos edométricos a succión controlada, para succiones de hasta 300 MPa.  En el dispositivo de Esteban & Sáez, los intercambios de agua entre la solución salina y el suelo eran muy lentos y, por lo tanto, la duración de los ensayos era extremadamente alta. Con el objeto de acelerar los intercambios de agua se adaptó la técnica mostrada en la Figura 1, implementada por Marcial (2003), mediante la cual se reduce el tiempo de los ensayos en aproximadamente 40 veces. Esto se logra al favorecer el intercambio de moléculas de agua entre el aire húmedo y la solución salina debido a la circulación del aire húmedo con una bomba neumática. Nótese que, adicionalmente a la circulación de aire, la sensibilidad del método a los cambios de temperatura impone la utilización de un baño termostático. Por otra parte, cabe destacar que el ensayo se realizó en una sala climatizada a temperatura regulada a 20 ± 0,5 º C.

Figura 1. Método de la fase de vapor con circulación de aire (Marcial, 2003)

La Figura 2 muestra el montaje experimental utilizado. Nótese la adaptación del sistema de control de succión mostrado en la Figura 1 a un edómetro de alta presión. El montaje experimental incluye una celda edométrica con medición del esfuerzo lateral, así como un transductor digital de desplazamiento. Estas facilidades de instrumentación permiten una adecuada medición de la respuesta tenso – deformacional, facilitando la interpretación de la interacción entre el anillo edométrico y el material expansivo.

Figura 2. Ensayo edométrico a succión controlada (1) botella con la solución salina saturada (2) botella vacía para la homogenización y almacenamiento transitorio del aire húmedo  (3) bomba neumática (4) termostato (5) baño termostático (6) celda edométrica con medida del esfuerzo lateral (7) Captor digital de desplazamiento (8) traviesa para la aplicación de carga del edómetro.

3.2 Celda Edométrica

El principio de medida del esfuerzo lateral es la reducción localizada, a una cierta altura, del espesor de la pared del anillo edométrico. La zona de espesor reducido representa una membrana semi-rígida, que juega el rol de captor de presión total en una cierta zona del anillo edométrico. El espesor de la membrana es de 2 mm y la altura 5 mm. Estas dimensiones fueron fijadas para que la deflexión de la membrana, bajo un esfuerzo de 60 MPa, sea inferior a 5 mm. Las estimaciones de deformación de la membrana se realizaron considerándola como una membrana cilíndrica empotrada en ambos extremos. Para obtener una señal adecuada con niveles tan bajos de deformación, se utilizaron galgas de deformación de alta sensibilidad y un sistema de filtrado de la señal. En la Figura 3 se presenta un corte transversal de la celda de edométrica utilizada.

Figura 3. Celda de consolidación con dispositivo de monitoreo del esfuerzo lateral

4. RESULTADOS

Para mostrar la importancia del protocolo de preparación de las muestras en el resultado de ensayos edométricos, lo cual corresponde al objeto principal de este trabajo, se realizaron sendos ensayos siguiendo los protocolos de preparación indicados en 2.

Un primer resultado interesante es la trayectoria de esfuerzos durante la fase de compactación, mostrada en la Figura 4. La figura muestra, para un esfuerzo vertical de hasta 25 MPa, que el valor de k₀ se estabiliza alrededor de 0,55 entre 6 y 12 MPa, para luego aumentar progresivamente  hasta 0,6 para esfuerzos mayores. A partir de la descarga, la trayectoria de esfuerzos es irreversible, observándose un aumento progresivo del valor de k₀ con tendencia al infinito cuando se disminuye el efuerzo vertical hasta un valor nulo. Cuando la descarga se ha completado, se observa un esfuerzo lateral residual de 5,23 MPa. Resultados similares han sido obtenidos por Romero (1999) con polvo de Arcilla de Boom (Bélgica), compactado estáticamente en un anillo edométrico con medida del esfuerzo lateral. Romero obtuvo k₀ =0,39 para un esfuerzo máximo de compresión de varios MPa, seguido de un aumento progresivo durante la descarga con tendencia al infinito.

Figura 4. Trayectoria de esfuerzos de una muestra de granulado de arcilla MX80, durante la compactación directa en el anillo adométrico (carga - descarga).

En lo concerniente al ensayo de hidratación a succión controlada, siendo que la arcilla MX80 es un material altamente impermeable y expansivo, se realizó un único escalón de hidratación para limitar la duración de los ensayos. Sin embargo, como lo muestra la Figuras 5, la duración de un escalón de hidratación es de unos 40 días. Por otra parte, el esfuerzo vertical aplicado durante los ensayos de hidratación fue de 0,1 MPa. El escalón de hidratación fijado para estos ensayos consitió en una disminución de la succión del material, equilibrado inicialmente en forma de granulado a 103 MPa, hasta 57 MPa. Para ello, se utilizó una solución saturada de NaNO₂.

Figura 5. Evolución del esfuerzo lateral y la deformación volumétrica de la muestra de suelo compactada directamente en el anillo edométrico (s = 57 MPa, s_v = 0,1 MPa).

El resultado obtenido con la muestra compactada directamente en el anillo edométrico es presentado en la Figura 5. Este ensayo permite constatar las consecuencias de una compactación directa en el anillo edométrico. Durante los primeros 660 min, la deformación se mantiene estable en su valor inicial mientras el esfuerzo rápidamente. Luego, la tasa de incremento de s_h disminuye progresivamente y e_v comienza a aumentar progresivamente hasta t = 5519 min cuando la deformación cesa de aumentar. El valor de e_v se mantiene estable al mismo tiempo que la tasa de incremento de s_h aumenta nuevamente, hasta t = 9922 min. En ese momento s_h se estabiliza sobre aproximadamente 22,4 MPa y e_v comienza a aumentar progresivamente. El comportamiento intermitente observado es consecuencia del roce entre el material compactado y la pared del anillo edométrico, aun cuando se engrasó previamente la pared del anillo. El efecto del roce es tan importante que se obtiene esfuerzo lateral muy elevado, con una presión vertical de sólo 0,1 MPa. De igual modo, la deformación registrada es bastante limitada. El valor de s_h presenta un valor pico de 29,1 MPa y luego comienza a caer progresivamente; por su parte, el valor de e_v tiende a estabilizarse sobre un valor de 0,42 %.

El resultado obtenido con la muestra compactada en un molde aparte y traspasada luego al anillo edométrico es presentado en la Figura 6. Siendo que el esfuerzo laterial inicial es prácticamente nulo, de una manera lógica la deformación obtenida durante la fase de hidratación es mayor a la obtenida con un esfuerzo lateral inicial de 5,23 MPa, mostrada en la Figura 5. El valor medido de e_v se estabiliza en 2,65 %, 6 veces más importante que el obtenido con el mismo escalón de succión cuando la pastilla de suelo es compactada directamente en el anillo edométrico (0,42 %). Con respecto al valor de s_h este aumenta de una manera regular y tiende a estabilizarse sobre un valor aproximado de 3,5 MPa, aproximadamente un orden de magnitud inferior al obtenido con la muestra compactada directamente en el anillo edométrico.

Figura 6. Evolución del esfuerzo lateral y la deformación volumétrica de la muestra de suelo compactada en molde aparte (s = 57 MPa, s_v = 0,1 MPa).

5. CONCLUSIONES

Los resultados mostrados anteriormente reflejan el efecto del roce lateral en la respuesta volumétrica de muestras de suelo sometidas a ensayos edométricos, como consecuencia de la restricción impuesta por la fricción entre la pared del anillo edométrico y el suelo, puesta de manifiesto en el esfuerzo residual importante medido luego de culminar el proceso de compactación.

En el caso de muestras de arcilla, la compactación directa en el anillo edométrico favorece el contacto entre la pared del anillo y el suelo, restringiendo la deformabilidad de la muestra. Dado que la granulometría de estos materiales es muy fina, estos se adaptan fácilmente a la rugosidad del anillo bajo el efecto del esfuerzo de compactación. Adicionalmente, la fina capa de grasa de silicón, colocada inicialmente, se aplasta durante la compactación y pierde su efecto lubricante.

Lo anterior muestra la importancia del protocolo de preparación de las muestras y pudiera poner en duda los resultados obtenidos con muestras compactadas directamente en el anillo edométrico, con un estado inicial de esfuerzos desconocido o indeseable.

Dada la importancia del roce lateral en la respuesta volumétrica de muestras de suelo sometidas a ensayos edométricos parece indispensable, aparte del protocolo de preparación de la muestra, la utilización de anillos encamisados con materiales de bajo coeficiente de roce como bronce o teflón tal como lo recomiendan las normas ASTM.

Finalmente, para una adecuada interpretación de los resultados de ensayos edométricos, es de gran utilidad la instrumentación del anillo edométrico de manera de conocer a todo instante el estado de esfuerzos al que está sometida la muestra y poder así utilizar con toda confianza uno de los ensayos más sencillos, antiguos y robustos que dispone la mecánica de suelos.

6. REFERENCIAS

1. Loiseau C. (2001). Transferts d’eau et couplages hydromécaniques dans les barrières ouvragées. Thèse de doctorat. Ecole Nationale des Ponts et Chausées. Paris, France.        [ Links ]

2. Marcial D. (2003). Comportement hydromécanique et microstructural des matériaux de barrières ouvragées. Thèse de doctorat. Ecole Nationale des Ponts et Chausées. Paris, France.        [ Links ]

3. Pintado X. Caracterización del comportamiento THM de arcillas expansivas. Tesis doctoral, Universidad Politécnica de Catalunya. Barcelona, España.        [ Links ]

4. Pusch R. (1982). Mineral-water interactions and their influence on the physical behavior of highly compacted Na bentonite. Canadian Geotechnical Journal. 19, 381-387.        [ Links ]

5. Romero E. (1999). Characteristion and TMH behaviour of unsaturated Boom clay: a, experimental study. Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Catalunya. Barcelona, España.        [ Links ]

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