Comprensión del mecanismo de desarrollo de la resistencia de los suelos arenosos tratados químicamente

Los investigadores descubren cómo el proceso de inyección química aumenta la resistencia del suelo, allanando el camino para el avance de la construcción de nueva generación

27.11.2023

La inyección química es un proceso que mejora la resistencia de la arena y su capacidad de impermeabilización, lo que hace que los suelos arenosos sean adecuados para diversas aplicaciones en la construcción. Sin embargo, aún no se ha llegado a una comprensión unificada de cómo este proceso produce un aumento de la resistencia. Algunos estudios anteriores han sugerido que la inyección química separa las partículas del suelo, lo que provoca una expansión del volumen. Esto crea bolsas de vacío, lo que da lugar a una "presión negativa" que junta las partículas del suelo y lo refuerza. También se cree que el aumento de la resistencia a la tracción (que determina la carga que puede soportar el suelo) influye en este comportamiento. Otros estudios han propuesto que la contracción de los hidrogeles (estructuras poliméricas que retienen agua) provoca la compresión y el confinamiento de las partículas del suelo, lo que le confiere resistencia. Sin embargo, aún no se conoce con claridad el mecanismo subyacente al desarrollo de la resistencia de los suelos arenosos.

Ahora, un equipo de científicos japoneses, dirigido por el profesor Shinya Inazumi, del Departamento de Ingeniería Civil del Instituto Tecnológico Shibaura, ha investigado a fondo el comportamiento de los suelos arenosos inyectados químicamente. Al hablar de la motivación de este estudio, el profesor Inazumi afirma: "Nos movía la pasión por el desarrollo sostenible y el deseo de contribuir a unas prácticas de construcción más seguras y eficientes, sobre todo en el contexto del cambio climático y la creciente urbanización." Además, los investigadores también estaban motivados por el objetivo de hacer avanzar la ingeniería geotécnica, con la esperanza de que pueda tener implicaciones para la seguridad pública, al permitir el desarrollo de tecnologías que mitiguen el riesgo de catástrofes naturales.

En este estudio, los investigadores primero inyectaron químicamente mezclas de arena-gel e hidrogel con una solución ácida, y realizaron varias pruebas. Entre ellas, las pruebas de compresión triaxial de drenaje de consolidación, que aíslan y miden la "resistencia cohesiva" y el "ángulo de fricción interna" en suelos mejorados químicamente. Se eligió este método de ensayo por su capacidad para proporcionar una visión precisa del comportamiento del suelo en condiciones estáticas, lo que resulta crucial para la seguridad y fiabilidad de los suelos de construcción.

Otras técnicas de análisis mecánico y estructural fueron los ensayos de compresión no confinada, la dispersión de rayos X de ángulo pequeño, los estudios de contracción volumétrica y la modelización teórica. En particular, este estudio constituye el primer caso de examen independiente de los efectos de la dilatación y la contracción del hidrogel en el desarrollo de la resistencia del suelo. Esta distinción es importante para el campo, ya que ofrece la posibilidad de orientar métodos de tratamiento del suelo más específicos y eficaces.

Los experimentos revelaron que la mejora de la resistencia en suelos arenosos tratados químicamente puede atribuirse al aumento de la cohesión y del ángulo de fricción interna de las partículas del suelo. Además, esta mejora no presenta pérdida de resistencia a largo plazo y, curiosamente, la debilidad inicial del suelo arenoso no tratado puede atribuirse al propio hidrogel.

Esta comprensión de los hidrogeles a nivel molecular encierra un inmenso potencial para la ingeniería civil y la gestión medioambiental. Por ejemplo, este avance puede utilizarse en regiones propensas a terremotos para mejorar la seguridad de los edificios, aumentar la resistencia sísmica y reducir el riesgo de licuefacción del suelo. Además, las zonas propensas a las inundaciones también pueden beneficiarse de este nuevo conocimiento, ya que las propiedades impermeabilizantes de estos suelos tratados pueden mitigar las inundaciones y salvaguardar los asentamientos humanos y la agricultura. A largo plazo, esta tecnología también puede proteger a las comunidades costeras contra la subida del nivel del mar, las mareas de tempestad y la intrusión de agua salada.

Al estabilizar el suelo y aumentar su capacidad de retención de agua, el presente trabajo aporta numerosas ventajas también en otros ámbitos. Por ejemplo, la recuperación de tierras, que es crucial para la seguridad alimentaria mundial, y la mitigación de la contaminación, que es importante para frenar la lixiviación de los vertederos en las masas de agua. Además, también puede mejorar la durabilidad estructural de las infraestructuras cívicas y garantizar la seguridad minera evitando los corrimientos de tierras. Como explica el profesor Inazumi, "nuestra investigación promete colmar lagunas críticas de conocimiento en el tratamiento del suelo, lo que puede traducirse en prácticas de construcción más eficientes y duraderas y, en última instancia, beneficiar a una amplia gama de industrias."

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