Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos

Trabajo realizado por: Guangxiang Fan Dirigido por: Alberto Ledesma Villalba y Pere Prat Catalan Grado en: Ingeniería Civil Barcelona, 12/11/2020 Departamento de Ingeniería civil y Ambiental TRABAJO FINAL DE GRADO Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 1 Resumen El trabajo final de grado que se presenta está enfocado en la investigación sobre el tema de agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos y el desarrollo experimental sobre la aplicación de cemento como aditivo para mitigar el agrietamiento por desecación en suelos. En este trabajo se estudia la formación de patrones de agrietamiento en un suelo limo arcilloso (extraído del Parc-UPC Agròpolis, Viladecans de Barcelona) mezclados con diversas proporciones de cemento y agua, y expuesto a condiciones de desecación generadas dentro de una cámara ambiental, la cual se encuentra situada en el laboratorio de geotecnia del departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad Politécnica de Catalunya. El objetivo de este trabajo es estudiar y entender cómo se comportarán las mezclas de suelo-cemento frente al fenómeno de desecación bajo condición controlada, y si es posible evitar la propagación de grietas mediante el uso de cemento cómo un aditivo, con la intención de reflexionar sobre esta técnica de estabilización en el mundo de la ingeniería civil. El trabajo experimental consiste en la desecación de muestras de aproximadamente 20x30x2cm preparada con el suelo limo arcilloso variando la densificación contenido de humedad inicial, el total de muestras analizadas se han clasificado en dos grupos. El primer conjunto experimental se trata de muestras en condición “slurry” preparadas con un contenido de humedad cercano a 1.5 veces el límite líquido (ω≈44%). adicionando distintos porcentajes de cemento (0%,1%,3%,5%) y sometidas a desecación. El segundo conjunto experimental utiliza muestras del mismo tamaño, también adicionando la mismas proporciones de cemento y posteriormente sometidas a desecación, pero en este caso la condición inicial es una muestra compactada a la humedad optima (ω≈16%). Para la desecación se utilizó una cámara ambiental con temperatura y humedad relativa controlada que detecta la variación de masa durante el ensayo para determinar el cambio del contenido gravimétrico de humedad. Además, una cámara fotográfica capta imágenes de la superficie de cada muestra que luego usando un código de Matlab permite analizar cuantitativamente algunos parámetros en las imágenes para entender y observar el proceso de las grietas en la superficie. El resultado demuestra una influencia significativa del contenido de cemento en el comportamiento de agrietamiento de mezcla de suelo cemento arcilloso al inicio de la desecación. Al final del ensayo, comparamos el ancho de apertura de la grieta promedio, el espaciamiento de las grietas y el área de los polígonos formados (células) de las muestras en estado slurry con los de las muestras compactadas. En la muestra compactada se observó una reducción perceptible en el área total fisurado, lo cual se debe la presencia de la energía de la compactación y la rigidez del suelo insaturado. El factor de la intensidad de grieta (CIF) (relación entre área de las grietas y el área total de la muestra), el ancho de apertura de la grieta promedio, el espaciamiento de las grietas y el área de los Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 2 polígonos formados (células) disminuyeron con la compactación. Además, las dosis crecientes de cemento reducen progresivamente la tensión de contracción, que se determinó en el presente TFG, así que se encontró el cemento es eficaz para contener el agrietamiento por desecación. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 3 Abstract This thesis presents a study of mitigation of desiccation cracks in soil using additives. It involves the experiments using the cement as an additive to avoid the desiccation cracks. Those experiments are focusing on the cracking development on clay soils, which are from the Parc-UPC Agròpolis in Viladecans(Barcelona), using different proportions of water and cement under controlled laboratory condition, such as the constant temperature and a specific air relative humidity. All of those experiments have been carried out at the Geotechnical Laboratory of the Department of Civil and Environmental Engineering of UPC. The aim of this thesis is to understand how is the behavior of soil-cement mixtures under controlled desiccation conditions and to find the approach to prevent cracking development by using cement. The result could be helpful for future construction in civil Engineering. Actually, this thesis consisted of two kinds of experiments, the first one includes four tests with different proportions of cement (0%, 1%, 3%, and 5%) with respect to clay soil, starting from a liquid consistency. The initial condition was a water content equal to 1.5 times the liquid limit (ω≈44%), which implies a slurry condition for the soil and full saturation. The dimensions of the sample were 20 x30x2cm, using trays, and the samples were subjected to desiccation conditions. The second set of experiments is very similar to the first one, except for the initial condition. We prepared the same samples mixing soil with cement (0%, 1%, 3%, and 5%), but the initial humidity content corresponded to the optimal humidity value (ω≈16%), according to the Proctor test procedure and applying the compaction on those samples. We have used the environmental chamber to simulate and control the temperature and relative humidity. We tried to control the change of mass during the test. Moreover, a digital camera was set above the environmental chamber to capture the evolution and propagation of cracks in the soil specimens subjected to desiccation, which are useful to analyze the cracking behavior. The results demonstrate a significant influence of cement content on the cracking behavior of the clay soil-cement mixture at the onset of desiccation. At the end of the test, we compared the average crack opening width, the spacing of cracks and the average cell area of slurry state specimen with those of compacted specimens. In compacted specimen a noticeable reduction in the total cracked area was observed, which is due to the presence of compaction energy and the stiffness of unsaturated soil. The crack intensity factor (ratio of the area of the cracks to the total specimen), the average width, the spacing of cracks and the cell area decreased with the compaction. Furthermore, the increasing doses of cement reduces progressively the shrinkage strain, which was determined in this thesis, so the cement was found to be effective in restraining desiccation cracking. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 4 INDICE Resumen ........................................................................................................................................ 1 Abstract ......................................................................................................................................... 3 1-Introducción y objetivos ............................................................................................................ 6 2-Estado de arte ............................................................................................................................ 7 2.1-El conocimiento sobre el agrietamiento de suelos ............................................................. 7 2.2-Causas del agrietamiento de suelos ................................................................................... 8 2.3-Efectos del agrietamiento de suelos ................................................................................... 9 2.4-Técnicas de mitigación del agrietamiento de suelos ........................................................ 10 2.5-El impacto del cemento en el suelo .................................................................................. 12 3-Descripción de los materiales y equipos usados ..................................................................... 14 3.1-Parámetros del suelo utilizado ......................................................................................... 14 3.2-Característica del cemento utilizado ................................................................................ 16 3.3-Equipos usados ................................................................................................................. 17 3.3.1-Cámara ambiental ...................................................................................................... 17 3.3.2-Cámara digital ............................................................................................................ 19 4-Programación experimental y procedimiento ......................................................................... 19 4.1-El primer conjunto de experimentos ................................................................................ 19 4.1.1-Parámetros para la preparación del ensayo .............................................................. 20 4.1.2-Preparación del ensayo .............................................................................................. 21 4.1.3 -Procedimiento experimental .................................................................................... 24 4.2-El segundo conjunto de experimentos ............................................................................. 26 4.2.1-Parámetros para la preparación del ensayo .............................................................. 26 4.2.2-Preparación del ensayo .............................................................................................. 28 4.2.3-Procedimiento experimental ..................................................................................... 30 5-Análisis de resultados .............................................................................................................. 30 5.1-Primera serie de experimentos ......................................................................................... 30 5.1.1-Desecación ................................................................................................................. 30 5.1.2-Análisis de fracturas ................................................................................................... 33 5.1.3-Efectos de cemento ................................................................................................... 37 5.2 Segunda serie de experimentos ........................................................................................ 44 5.2.1-Compactación ............................................................................................................ 44 5.2.2-Efecto del cemento .................................................................................................... 47 6-Conclusiones ............................................................................................................................ 54 Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 5 6.1-Propuestas para futuras investigaciones .......................................................................... 55 7-REFERENCIAS ............................................................................................................................ 56 Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 6 1-Introducción y objetivos Debido al cambio climático, es destacado que hoy en día se manifiestan periodos de lluvias o sequías extremas que llegan a afectar el comportamiento del suelo, estos episodios pueden provocar la fisuración o el agrietamiento del suelo causando desprendimientos de laderas, colapso de taludes y hasta desencadenar la migración de contaminantes en diques o rellenos, afectando la funcionabilidad de obras de tierra. Una grieta puede ser provocada por la evaporación de agua que se encuentran retenida en los poros del suelo. Estas grietas debido al secado de los suelos pueden influir en la respuesta mecánica e hidráulica del suelo. La conductividad hidráulica en un suelo aumenta debido a las vías de aire que representan las grietas, siendo una causa para el transporte de contaminantes entre una capa superficial y una capa inferior, lo que a su vez afecta la cohesión y la resistencia del suelo. .. Fenómenos como la retracción, grietas, hundimiento pueden causar daños considerables en obras de la ingeniería civil como presas, vertederos o incluso depósitos de residuos nucleares. Estos fenómenos tienen una vinculación muy significativa con la mecánica del suelo y la hidráulica. En el área de la ingeniería civil son problemas para los que se sigue buscando nuevas metodologías que eviten resuelvan o al menos reduzcan los daños. Una desecación produce reducción del volumen del suelo que puede tener consecuencias o efectos negativos para uso estructural o en el medio ambiente, siendo esto lo que motiva a buscar técnicas para mitigar los efectos de la desecación. A parte del uso de cemento como aditivo que será la técnica de mitigación estudiada en este trabajo, es importante destacar que se encuentra una vertiente que estudia el uso de fibras, geomembranas y geosintéticos para actuar como un sistema de barrera que eviten la evaporación de agua (Bowders et al., 1997; Chaduvula et al., 2016; McWatters et al., 2016; Southen & Rowe, 2011; Tang et al., 2012). El objetivo principal de este trabajo es estudiar y analizar la respuesta al secado controlado de muestra de suelo limo arcilloso, con adición de cemento a diferentes proporciones en masa, aplicando distintas condiciones iniciales densificación. Las principales actividades a desarrollar comprenden ◼ Recopilación de información experimental (variación de la masa, captura de imágenes) y tratamiento de los datos para estimar la pérdida de agua por efecto de la desecación y cuantificar el área de grietas que ocurren en las superficies de las muestras. ◼ Interpretación empírica con datos propios de la fase experimental y con datos aportados de otros experimentos similares. ◼ Discutir los resultados comparando según los porcentajes de cemento adicionados y la densificación inicial. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 7 2-Estado de arte La investigación sobre el fenómeno del agrietamiento de suelos comprende análisis de diversos modelos tanto teóricos como experimentales y numéricos. Cada uno de ellos lleva distintas formas de conocer con mayor exactitud cómo se comporta un suelo en proceso de desecación, en términos de retracción y agrietamiento bajo diferentes condiciones de contorno. Se analizan las posibles causas que han provocado y las consecuencias que derivan. 2.1-El conocimiento sobre el agrietamiento de suelos Entre uno de los problemas en ingeniería civil, destacamos el agrietamiento de suelos, de acuerdo con Levatti (2015), puede explicarse el fenómeno de agrietamiento por desecación de suelos como la pérdida de humedad de la masa del suelo debido a condiciones externas, y por este efecto se produce retracción y se puede alterar su estado y su continuidad. Por ejemplo, ante el agrietamiento el suelo empieza a ser más permeable y menos resistente, que acarrean problemas hidráulicos, geotécnicos y estructurales. Dicho de otra forma, el agrietamiento en el suelo ocurre cuando una reducción del volumen debido al proceso de secado genera tensiones de tracciones mayores que la resistencia a la tracción del suelo. Diferentes estudios formulan hipótesis para explicar el agrietamiento en suelos, pero no se considera una mejor que otra sino ha de ser algo más adecuado con diferentes situaciones. Con lo cual no se cuenta con obtener un modelo único y dar un resultado único en el estudio de agrietamiento, Algunas investigaciones consideran que las grietas de desecación alteran las propiedades térmicas, hidráulicas y mecánicas (Vallejo, 2009), otros que la formación de grietas es más relevante en el contexto de desechos mineros (Morris et al., 1992; Rodríguez et al., 2007), revestimientos de rellenos sanitarios, degradación de taludes, terraplenes, cimentaciones poco profundas (Lozada et al., 2015), carreteras, tierras agrícolas (Sinnathamby et al., 2014), e incluso se estudian en el paisaje marciano (El-Maarry et al., 2012). A un suelo agrietado se le puede describirse considerando las siguientes características geométricas y morfológicas: -Área total de suelo, es la superficie inicial de suelo sin agrietar y la misma área del recipiente donde se lleva a cabo el ensayo. -Espesor del suelo, es la altura inicial de suelo considerado para el área en estudio. -Celdas, son fragmentos de suelo que resultan una vez el suelo se agrieta y se encuentra comprendida entre grietas que se interceptan entre sí. -Tamaño de la celda, es el área superficial de cada celda -Área contraída, es el área que se forma entre el recipiente y la masa de suelo una vez que comienza el proceso de agrietamiento. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 14 3-Descripción de los materiales y equipos usados 3.1-Parámetros del suelo utilizado El suelo utilizado para este trabajo de investigación es un suelo limo arcilloso que fue extraído de Agròpolis, espacio que forma parte del Parc UPC y se encuentra ubicado en la zona agraria de la población de Viladecans de Barcelona, muy cercano al aeropuerto El Prat en Barcelona, ver en las Figuras 3.1.1 y 3.1.2. Figura 3.1.1. Vista en Satelite, Agròpolis, Barcelona Figura 3.1.2. Vista en 3D, Agròpolis, Barcelona Las propiedades del suelo utilizado se conocen del trabajo de Cordero (2019), forman parte de una tesis doctoral de la UPC y que contiene diversos ensayos geotécnicos que sirven de datos de partidas para este trabajo. El estudio granulométrico del material reporta los valores del contenido de arena, limo y arcilla que se presentan en la Tabla 1 y provienen de la curva granulométrica de la Figura 3.1.3. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 15 Figura 3.1.3. Curva granulométrica del material utilizado. (Cordero. 2019) Tabla 1. Composición del suelo según el tamaño de sus partículas. Tipo de suelo VALORES 𝐴𝑟𝑒𝑛𝑎 48.3 % 𝐿𝑖𝑚𝑜 42.1 % 𝐴𝑟𝑐𝑖𝑙𝑙𝑎 9.6 % Otro punto importante es la consistencia del suelo, para saberla se usan los límites de Atterberg los cuales describen cualitativamente el comportamiento del suelo. El límite líquido representa el contenido de humedad frontera entre consistencia líquida y plástica. El límite plástico, representa el contenido de humedad entre consistencia plástica y semisólida. El límite de retracción, representa el contenido de humedad frontera entre consistencia semisólida y sólida. Con la granulometría y los límites de consistencia se puede clasificar el suelo mediante el Sistema Unifcado de Clasificación de suelos (USCS) para lo que se usa la carta de plasticidad de Casagrande. Como se puede ver en la Figura 3.1.4, el suelo que vamos a utilizar está a la derecha de la línea B y encima de la línea A con un límite liquido inferior a 50% y con el índice plástico superior a 10%. Eso indica que es un suelo CL u OL, y como tiene bajo contenido de materia orgánica se clasifica como un CL. La Tabla 2, resume las principales características del suelo limo arcilloso utilizado en este trabajo. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 16 Figura 3.1.4. Carta de plasticidad de Casagrande señalando el suelo utilizado Tabla 2. Parámetros generales del suelo utilizado PARAMETRO VALORES 𝛾𝑠(𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜) 2.7 𝑔𝑟/𝑐𝑚3 𝛾𝑎(𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎) 1 𝑔𝑟/𝑐𝑚3 WL (Limite Liquido) 28.9 % WP (Limite Plastico) 16.5 % WR (Limite de Retracción 13.8% IP(Indice plástico) 12.4% 3.2-Característica del cemento utilizado El aditivo utilizado para los experimentos es el cemento tipo Portland, nombre que le viene originado por la roca de Portland, una isla del condado de Dorset (Inglaterra). Se obtiene mediante el mezclado del clinker con el yeso en una cantidad necesaria para estabilizar el proceso de hidratación. Tiene unas materias primas que se presentan en la Tabla 3. Este tipo de cemento Portland (CEM II/B-L 32.5R) es de clase de resistencia 32.5 Mpa y alta resistencia inicial, con un peso especifico (𝛾𝑐) de 3.15 𝑔𝑟/𝑐𝑚3, como puede ver en la Figura 3.2.1. Suele ser usado para estructuras de cimentación, estructuras de tubería o pozos, carreteras por la alta resistencia mecánica al curado corto. El cemento usado cumple con la normativa europea UNI EN197/1 y está marcado de acuerdo con la directiva comunitaria89/106/CEE. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 17 Tabla 3. Composición del cemento Nomenclatura símbolo valor Oxido de calcio CaO 44% Oxido de silicio SiO2 14.5% Oxido alumínico Al2O3 3.5% Oxido Magnésico MgO 2% Oxido férrico Fe2O3 1.6% Figura 3.2.1. Cemento Portland (CEM II/B-L 32.5R) 3.3-Equipos usados Para la desecación se utilizó la cámara ambiental del laboratorio de geotecnia del departamento de Ingeniería de Terreno de la Universidad Politécnica de Catalunya (Lakshmikantha,2009). De este equipo se utilizó solo una de las células de carga, un higrómetro, el deshumidificador, la cámara fotográfica y el software de control y toma de datos. Con estos instrumentos y la adquisición automatizada de datos que permite la cámara ambiental se desarrolló la desecación controlada de las muestras de suelocemento y se recopiló la información para su posterior análisis. El registro de la variación de la masa fue en intervalos de 10 minutos y la captura de imágenes de la superficie fue en intervalos de 1 hora. 3.3.1-Cámara ambiental La cámara ambiental está formada por una caja de metacrilato transparente de dimensión de 1x1x1.5m (largo, ancho, alto ), que reposa encajada sobre una base rígida de dimensiones 1.2x1.2x0.1m para crear un espacio de sistema hermético o semi-hermético. En los laterales de la caja, encontraremos 4 aperturas circulares de un diámetro de 0.1m para la conexión con el deshumidificador, donde 2 de ellas son para extraer aire húmedo y otras 2 inyectan el aire seco procesado por el deshumidificador. En el interior de la cámara apoyadas en la base están 3 células de carga uniformemente distribuidas, son encargadas de registrar la variación de peso. En el caso de este trabajo solamente se utilizó la célula de carga ubicada a la derecha, como se puede ver en la Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 18 Figura 3.3.1.1 y el deshumidificado que se unas para extraer la humedad se presenta en la Figura 3.3.1.2. Figura 3.3.1.1. Cámara Ambiental con la muestra adentro Figura 3.3.1.2. Deshumidificador del laboratorio Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 19 3.3.2-Cámara digital Para el análisis fotográfico usamos la cámara réflex Olympus tipo C-5050Zoom, que pertenece al equipo de la cámara ambiental. Esta cámara digital está en modo manual, hemos fijado unos comandos durante el ensayo con un ISO de 200, F2.6 y velocidad de obturador de 1/15s como lo indica en la Figura 3.3.2.1. La cámara es controlada por el sistema de adquisición de datos de la cámara ambiental y se toma una foto cada cierto intervalo de tiempo determinado por nosotros. Esas fotos presentan una imagen en planta de cada muestra, las cuales se usan para observar la evolución de las fisuras o grietas, que posteriormente serán analizadas cuantitativamente. Figura 3.3.2.1. Cámara digital para toma los imágenes 4-Programación experimental y procedimiento 4.1-El primer conjunto de experimentos El primer conjunto experimental se trata de muestras de aproximadamente 20×30×2cm preparadas con el suelo limo arcilloso en condición “slurry” alcanzando un contenido de humedad cercano a 1.5 veces el límite líquido (ω≈44%) adicionando distintos porcentajes de cemento (0%,1%,3%,5%) y posteriormente cada una es sometida a desecación en condiciones de humedad y temperatura controlada hasta alcanzar peso constante. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 20 4.1.1-Parámetros para la preparación del ensayo En teoría suponemos hacer un “slurry” que es una mezcla con agua que tendrá una saturación de 100% y contenido gravimétrico de humedad alrededor de 1.5 veces el límite Liquido (WL) , siendo la siguiente humedad de preparación. ω=Contenido de humedad de preparación=1.5 × 28.9=43.35% El recipiente de la muestra tiene un ancho de 20cm, un largo de 30cm y se vierte la mezcla hasta completar una altura de 2cm, con lo cual el volumen aproximado de muestra será 1200𝑐𝑚3. Con los valores de volumen de muestra, peso específico del suelo y contenido de humedad como datos podemos estimar la cantidad de suelo seco necesario para todas las muestras mediante la fórmula siguiente. 𝑆𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 1 𝛾𝑠+𝜔 𝛾𝑎 𝑆𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜=1200 1 2.7+0.4335 1=1492.78𝑔𝑟 Para las muestras con los diferentes porcentajes de cemento, añadimos la cantidad de cemento como un X% con respecto a la masa de suelo. 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜=𝑋% × 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑋 ∈(0,1,3,5) 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 =𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜+ 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 La báscula solo nos da información de variación de la masa en función del tiempo. Y a partir de esa información podemos deducir el contenido gravimétrico de humedad. Con el peso inicial y un reporte de humedad podemos estimar la cantidad de sólidos que se tiene en cada mezcla vertida. 𝑊𝑇=𝑊𝑊+𝑊𝑆 𝜔 =𝑊𝑊 𝑊𝑆 => 𝑊𝑊= 𝜔· 𝑊𝑆 𝑊𝑇= 𝜔· 𝑊𝑆+𝑊𝑆=𝑊𝑆·( 𝜔+1) => 𝑊𝑆=𝑊𝑇 ( 𝜔+ 1) Conocida la masa de sólidos, se puede estimar el contenido de humedad como un variación de la humedad inicial y los diferenciales de humedad que resultan de la variación de la masa de agua que se registra con la balanza Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 21 𝜔𝑖=𝜔0−∆𝜔 𝜔𝑖=𝜔0−[∆𝑊 𝑊𝑆] ∆𝑊 =𝑊0−𝑊𝑖 𝜔𝑖=𝜔0−[𝑊0−𝑊𝑖 𝑊𝑠] Donde 𝑊𝑇:𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑊𝑠:𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑊𝑤:𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝜔:𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 𝜔𝑖:𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑖 𝜔0:𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑜 ∆𝑊:𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑊0:𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑊𝑖:𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑖 Así podemos ver como varía la humedad a lo largo del ensayo y estimar la humedad en la que se iniciaron las grietas de cada muestra, es decir en qué momento y con qué humedad empieza el agrietamiento. 4.1.2-Preparación del ensayo El suelo utilizado es extraído del Agròpolis como se indicó anteriormente fue previamente transportado y ya se encontraba en el laboratorio Geotecnia de la UPC. El primer paso, es calcular las cantidades de suelo, cemento y agua añadido un 10% de masa total para tener en cuenta pérdidas que pueden ocurrir durante la preparación. El suelo previamente fue triturado y tamizado usando el tamiz No.10 cuya malla es de 2mm de apertura (ver Figura 4.1.2.1 y 4.1.2.2). Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 22 Figura 4.1.2.1. Trituración del suelo Figura 4.1.2.2. Tamiz de Nº10 (2mm) Luego en seco fue incorporado el cemento según la proporción asignada para seguido añadir la cantidad de agua que corresponde a la humedad inicial y homogenizar todo estos hasta obtener una mezcla lo más posible (ver Figura 4.1.2.3). La mezcla bien homogeneizada fue vertida en un recipiente de 0.2 m x 0.3 m (ancho x longitud), se niveló la superficie de la muestra y con un poco de vibración desplazó el aire con la intención de cubrir en mayor parte el volumen aproximado con la mezcla de suelo (ver Figura 4.1.2.4 y 4.1.2.5). Del “slurry”, previo vertido se tomó una porción para determinación de humedad inicial por el método de secado al horno. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 23 1 2 3 4 Figura 4.1.2.3. Preparación de la muestra para el ensayo Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 30 4.2.3-Procedimiento experimental Es similar a las operaciones realizadas para el primer conjunto de experimentos. La programación que se le asigna al software, los comandos de la cámara réflex, son de igual que para el primer conjunto de experimentos. Lo único que cambia es la fase de preparación del suelo, es decir, una vez mezclado todos los materiales se compacta para una mayor densificación inicial 5-Análisis de resultados 5.1-Primera serie de experimentos 5.1.1-Desecación Seguir el tema de agrietamiento por desecación, es el objetivo de este trabajo, las informaciones que han registrado por computador están expresadas en hoja de cálculo. Los ensayos que se realizaron en el primer conjunto eran suelo limo arcilloso mezclados con diferente cantidad de cemento, contenidas en recipiente rectangulares y sometidas a un proceso de evaporación. A continuación, se representa una figura de cambio de masa por la evaporación respecto el tiempo de los cuatros muestra La Figura 5.1.1.1 representa gráficos de cambio de masa por la evaporación el tiempo respecto el tiempo de las cuatros muestras ensayadas experimentalmente para este TFG. Los gráficos dejan ver con es la disminución de las masa varían en función del tiempo hasta alcanza un valor constante, es por la evaporación del agua en los poros de las muestras debido a las condiciones ambientales circundantes. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 31 Figura 5.1.1.1. Masa vs Tiempo para primera serie de experimentos La duración de cada ensayo es diferente, cuanto más cemento pongamos menos tiempo tardará en completarse el proceso de evaporación, porque la función del cemento es retener agua del suelo. Y lógicamente cuanto más cemento añadido más alto será la masa final del secado. El cemento para actuar como aglutinante se necesita que reaccione con el agua, por tanto, mayor cantidad de cemento aplicado, mayor agua se sustrae de la evaporación. Todos los especímenes están en condiciones parecidas, y la duración de las pruebas es entre 8 y 11 días. La que dura más es la muestra sin cemento añadido (slurry 0 %) si comparamos con slurry 1% , slurry 3% y slurry 5%. Se puede observar en la Figura 5.1.1.1 que cada curva tiene zonas de reposo, como líneas rectas, eso es porque la báscula no es muy sensible, estas células de carga están planteadas para hacer ensayos de una masa de alto valor > 10kg, en nuestro caso es cerca de 2.2kg, así que no es tan precisa para determinar pequeños cambios de la masa, solo detecta un cambio de la masa brusco elevado, es decir que estamos realizando un ensayo sobre una maquina grande, y la muestra es bastante pequeña. Por tanto, aunque hay cambios en la masa total de la muestra, no son registrados cuando son muy pequeños. El uso de muestras más pequeñas tiene la ventaja de una menor duración del ensayo y una preparación más fácil y con menos material. Por otra parte, la tendencia global de la curva, si se eliminan las zonas de “reposo”, se pueden considerar como representativas del proceso de desecación. La pérdida de agua por la evaporación no solo depende del cemento que se añade sino que el tipo del suelo también es importante, el suelo utilizado para todos los ensayo es un suelo limo arcilloso, que contiene un alto porcentaje de limo con arcilla, puede clasificarse como suelo de grano fino. Así que los suelos arcillosos al ser muy plásticos, tienden a absorber mucha agua y retienen aguas, al ser una capa de suelo arcilloso actúa como una capa impermeable en el terreno, por tanto, sufren una considerable contracción cuando tiende a evaporarse. 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Masa (Kg) TIempo (min) Slurry 0% Slurry 1% Slurry 3% Slurry 5% Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 32 El proceso de secado puede generar grietas, y como las arcillas y los limos son suelos de grano finos definidos, tienen una mayor predisposición a desarrollar grietas que los suelos grano grueso (como las arenas, por ejemplo), eso se puede atribuir a la alta succión que se genera en poros más pequeños. Dentro del mismo contexto se tendrán en cuenta los resultados de un trabajo de master del mismo equipo de investigación con el que se trabajó para este TFG. Estos datos son resultados de muestras del mismo suelo e iguales dimensiones y también mezclados con 0%, 1%, 3% y 5% de cemento añadido. La Figura 5.1.1.2 (Moscato, 2020) muestra los resultados de muestras similares a las usadas en el primer conjunto de experimentos. Figura 5.1.1.2. Gráfico de Masa vs Tiempo (Moscato 2020) Luego de comparar los dos gráficos (Figura 5.1.1.1 y Figura 5.1.1.2), no se tienen los mismos resultados, probablemente es por el procedimiento durante la preparación de cada espécimen resultando que los datos de los ensayos no exactamente lo mismo y depende en gran parte del operador. Y si superponemos estas dos gráficas, se puede observar que la reducción de las masas de las muestras de este TFG son mayores que las masas de las muestras del Moscato (2020) mientras esas muestras de este TFG con unas duraciones de las muestras muchos menores. Pero se entiende que cuanto más cemento añadido, la duración de la desecación se reduce más para ambos ensayos(ver Figura 5.1.1.3) Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 33 Figura 5.1.1.2. Gráfico de Masa vs Tiempo de comparación entre Fan y Moscado 5.1.2-Análisis de fracturas Una vez completado el ensayo, tenemos la muestra con las grietas formadas debido proceso de secado y son visibles en la superficie del espécimen. Como hemos mencionado antes en este paso lo que vamos hacer es estimar, a partir de las fotografías, la dimensión de las grietas con Matlab y medir manualmente con el calibrador digital (pie de Rey). En concreto a través de todos estos parámetros se miden la profundidad, la longitud y el grosor de las grietas. Es muy importante saber cómo serán estas grietas en la muestra, eso lo podemos llamar como la vigilancia de las grietas de secado. Se trata de ver el área de la grieta al nivel total del área de la muestra. Se puede clasificar diferentes tipos de área, el área total, el área de las grietas y el área de los polígonos formados (células) entre las grietas. En general el área total inicial de la muestra es el área del recipiente, y para determinar el área de las grietas es 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑔𝑟𝑖𝑒𝑡𝑎𝑠=𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙− 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑔𝑜𝑛𝑜𝑠 Una vez tenido todos estos valores, podemos determinar un parámetro fundamental para el estudio de este fenómeno, muy útil para el desarrollo de este trabajo, que es el CIF (Crack Intensity Factor o factor de intensidad de grietas), parámetro definido por Miller et. al 1998. 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 02000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Mass (Kg) Tiempo (min) 1% MOSCATO 3% MOSCATO 5% MOSCATO 1% FAN 3% FAN 5% FAN Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 34 El CIF lo que hace es reconocer la relación entre el área total de las grietas ( el área de las grietas consideradas en los bordes y las grietas internas) y el área tota inicial. 𝐶𝐼𝐹(%)=𝐶𝑟𝑎𝑐𝑘 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑥100 Sabiendo que la propagación de grietas es variable en función del tiempo, entonces el espesor de las grietas aumenta a medida que el contenido de agua disminuye, debido el secado. Por tanto, el CIF se usa para monitorear la extensión de las grietas en la superficie total de la muestra. Para determinar el CIF utilizamos un código de Matlab para cuantificar el desarrollo de las redes de grietas que van evolucionado (ver Figura 5.1.2.1) Esta técnica se basa de analizar las imágenes en dos fases. La primera fase es la imagen digital tomada y se procesa mediante opciones, incluso una conversión de la imagen original en color RGB en una imagen gris para clasificar la zona de la imagen que va realizar y luego una imagen binaria (blanco y negro) obtenida mediante la aplicación de filtros especiales. La segunda fase, es dar comandos en el análisis de imagen procesada para obtener los parámetros determinados, en este caso el área de grietas que está representado en unidad pixeles porque es una imagen y el factor de intensidad de la grieta (CIF). Figura 5.1.2.1. Programa usado para cuantificar las grietas . A continuación, se presentarán los datos que se derivan de las superficies agrietadas de las muestras ensayadas. Los datos que se presentan son necesarios para analizar los ensayos con diferentes proporciones de cemento y sobre todo tener una idea clara en la comparación entre las diferentes muestras. Ver la Figura 5.1.2.2, la Figura 5.1.2.3, la Figura 5.1.2.4 y la Figura 5.1.2.5. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 35 0% Cemento Figura 5.1.2.2. Fotografía de muestra “slurry” con 0% de cemento ancho (mm) profundidad (mm) Pixels A 5,05 16,03 cracking Area 119874 B 4,24 16,37 whole Area 1911760,118 C 11,85 18,88 CIF 6,3% 1% Cemento Figura 5.1.2.3. Fotografía de muestra “slurry” con 1% de cemento ancho (mm) profundidad (mm) Pixels A 12,97 21,99 cracking Area 168387 B 10,53 19,02 whole Area 2000566,597 C 11,85 19,06 CIF 8,4% 3% Cemento Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 36 Figura 5.1.2.4. Fotografía de muestra “slurry” con 3% de cemento ancho (mm) profundidad (mm) Pixels A 6,15 20,85 cracking Area 156960 B 7,76 19,51 whole Area 1985314,096 C 8,24 20,79 CIF 7,9% 5% Cemento Figura 5.1.2.5. Fotografía de muestra “slurry” con 5% de cemento ancho (mm) profundidad (mm) Pixels A 5,12 20,59 cracking Area 44523,4 B 3,81 20,59 whole Area 1973287,998 C 5,09 18,37 CIF 2,3% Viendo estas análisis de fracturas, todas las muestras ensayados han tenido la retracción volumétrica, el de CIF es un indicador que representa si la muestra ensayada tiene una alta fisuración o no. En este caso el 0% slurry ha tenido un valor de CIF (6.3%) no bastante elevado y sea menor que 1% slurry(8.9%) es debido la preparación inicial no había incluido el 10% volumen compensado en la pérdida de masa en la fase de preparación. Concentramos en el valor del CIF más pequeño (2.3%) es valor del 5% slurry, sus grietas solo han aparecido a lo largo en el borde de la muestra. Por tanto, el incremento de cemento desfavorece el desarrollo del agrietamiento del suelo por desecación. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 37 5.1.3-Efectos de cemento En el estudio y en los ensayos se demostró que la interacción entre un suelo de grano fino, el agua y las cantidades creciente de cemento causan una alteración bastante eficiente de la estructura del conjunto. En la Tabla 5 se presentan los datos de densidad inicial para cada muestra según el porcentaje de cemento, de ser más cantidad de cemento añadido, habrá una mayor densificación en el suelo, cuando hay un incremento de densidad, significa que hay una disminución del volumen de los poros en el suelo y es conveniente respecto a la contracción volumétrica porque puede reducir el agrietamiento al ser más denso. Tabla 4. Densidad para primer serie de experimento El suelo tiende a agrietar cuando está perdiendo la humedad, la pérdida de la humedad está directamente relacionado con su contracción por desecación, fluencia y su resistencia. Como podemos ver en la Figura 5.1.2.1 la humedad de las 4 muestras son relativamente parecidas al inicio del ensayo, luego cada una de ella tiende a su vía. Se puede fijar que la curva del 5% pierde agua más rápido en principio las otras de 0% ,1%,y 3%. En cualquier caso ,las diferencias no son muy importantes. La muestra con 5% de cemento también tiene menos perdida de humedad global desde el inicio hasta el final del ensayo, es decir una menor diferencia entre el índice de humedad inicial y final. Figura 5.1.2.1. Contenido de humedad vs Tiempo para primer serie de experimentos porcentaje de cemento Densidad seca (gr/cm^3) Densidad (gr/cm^3) 0% 1,50 2,04 1% 1,51 2,05 3% 1,53 2,09 5% 1,56 2,12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Humedad(%) TIempo transcurrido (min) Slurry 0% Slurry 1% Slurry 3% Slurry 5% Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 38 El trabajo de Moscato (2020) esudió la variación de los vacíos y la porosidad de las 4 muestras con diferentes porcentajes de cemento ver en Figura 5.1.2.2 y 5.1.2.3, donde la variación de los vacíos es volumen de los vacíos entre volumen de sólido y la porosidad es volumen de los vacíos entre volumen total. Figura 5.1.2.2. Variación del índice de los vacíos (Moscato 2020) Figura 5.1.2.3. Variación de la porosidad (Moscato 2020) Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 39 En los ensayos de Moscato (2020), la muestra de suelo mezclada con 1% de cemento tiene una mayor diferencia entre el índice de vacío inicial y final que otras pruebas en las que se utilizó cemento. Y eso indica que presentará una mayor deformación volumétrica al final de la prueba, por la alta compresibilidad en comparación con las pruebas de 3% y 5% de cemento aplicado. Tal como ocurre en los ensayos realizados en el presente TFG. Ver en la Figura 5.1.2.4 y Figura 5.1.2.5. Figura 5.1.2.4. Variación del índice de los vacíos 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% VOid ratio(-) cement(%) 0% Cemento. Initial void ratio 1% Cemento. Initial void ratio 3% Cemento. Initial void ratio 5% Cemento. Initial void ratio 0% Cemento. Final void ratio 1% Cemento. Final void ratio 3% Cemento. Final void ratio 5% Cemento. Final void ratio Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 46 Figura 5.2.1.2. CIF vs Tiempo para muestras con 1% de cemento añadido De hecho, ver en la Figura 5.2.1.2, observando el grafico relativo del factor de intensidad de grieta (CIF), es muy razonable a verificar que el cambio de la densidad afecta la formación de las grietas. La muestra compactada empezaba a agrietar antes porque no había bastante succión de agua, tenía solo la humedad optima, en cambio la muestra “Slurry” tardaba mucho más tiempo para agrietar probablemente porque estaba al 100% saturación. Luego al final el CIF de la muestra compactada (4.15%) es casi la mitad de la muestra “slurry” (8.61%), aunque las grietas en la muestra compactada solo se presentaban a lo largo de los perímetros. Figura 5.2.1.3. CIF vs Tiempo muestras con 3% de cemento añadido EL caso de la muestra 3% cemento, ver Figura 5.2.1.3, para la muestra compactada por falta de tiempo no se ha podido terminar hasta el final del ensayo (humedad cercana a cer). Pero se ha observado las misma tendencia para el CIF y cuanto más cemento añade a la muestra, hace efecto de sustracción de agua, y empieza a desecar antes y genera las 0,00% 1,00% 2,00% 3,00% 4,00% 5,00% 6,00% 7,00% 8,00% 9,00% 10,00% 050 100 150 200 CIF (%) TIempo (hora) 1% Compactado 1% Slurry 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 050 100 150 200 250 CIF(%) TIempo (hora) 3% Compactado 3% Slurry Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 47 grietas siempre con adelanto. Y el grafico de CIF para muestra 3% compactada tiene una tendencia muy cercana a la convergencia aun por falta de información, podemos suponer su valor final de CIF sería menor que la mitad de la muestra 3% “slurry”. Tanto en 1% y 3% de cemento sus punto de intersección del CIF entre la muestra en slurry y la muestra compactada están a partir de a las 60 horas, es decir cercano al tercer día transcurrido. Podemos sugerir de que al tercer día habrá un gran cambio de las muestras, sobre todo para las muestras con una saturación completa, es el tiempo que empieza a agrietar más rápidamente con una gran escala. 5.2.2-Efecto del cemento Para las muestras compactadas el trabajo de Moscato (2020) también estudió la variación de los vacíos y variaciones de las porosidades, pero solo para 3 muestras con diferentes porcentajes de cemento (0%, 3% y 5%) ver en la Figura 5.2.2.1 y 5.2.2.2. Observando las figuras, éstas son bastantes similares, la muestra con 0 % cemento tiene una mayor diferencia entre el índice de vacío inicial y final también para la porosidad inicial y final. En cambio muestras con 3% y 5% sus índices son bastante iguales. Esto se puede deber a que la succión dentro de los microporos hace que se junten las partículas de arcilla que no son contrarrestados por la acción de unión con el cemento, las muestras compactadas con 3% y 5 % de cemento, el valor de índice de vacío final es más alto y eso es debido a la explicación de la acción vinculante del cemento que contrarresta los valores de succión más bajos por esta razón evitaría una gran contracción a través del uso del cemento. Ya como se ha visto en el apartado 5.1.3, la porosidad aumenta con la adición de cemento sin presencia de compactación, y si combinamos la energía de compactación y cemento no ocurrirá una gran contracción y además reducirá la diferencia entre los índices iniciales y finales. Pero la compactación, podría inducir un comportamiento de suelo más frágil. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 48 Figura 5.2.2.1. Variación del índice de los vacíos (Moscato 2020) Figura 5.2.2.2. Variación del índice de la porosidad (Moscato 2020) Y en el presente trabajo, había estudiado la variación de vacíos y variaciones de las porosidades para 4 muestras compactadas con diferentes porcentajes (0%, 1%, 3% y 5% ). Las diferencias de los índices iniciales y finales tanto de las variaciones de los vacíos y Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 49 de las porosidades son muy similares a lo que ocurrió en el trabajo de Moscato (2020). ver las Figuras 5.2.2.3 y 5.2.2.4, Figura 5.2.2.3. Variación del índice de los vacíos Figura 5.2.2.4. Variación del índice de la porosidad 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% VOid ratio(-) cement(%) 0% Cemento compacted Initial void ratio 1% Cemento compacted Initial void ratio 3% Cemento compacted Initial void ratio 5% Cemento compacted Initial void ratio 0% Cemento compacted. Final void ratio 1% Cemento compacted. Final void ratio 3% Cemento compacted. Final void ratio 5% Cemento compacted. Final void ratio 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% VOid ratio(-) cement(%) 0% Cemento compacted Initial porosity 1% Cemento compacted Initial porosity 3% Cemento compacted Initial porosity 5% Cemento compacted Initial porosity 0% Cemento compacted. Final porosity 1% Cemento compacted. Final porosity 3% Cemento compacted. Final porosity 5% Cemento compacted. Final porosity Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 50 Al igual que la primera serie del experimento, son 4 muestras con diferentes porcentajes de cemento (0%, 1%, 3% y 5%). Vamos a estudiar la duración de estas muestras compactadas a la humedad óptima. Sabemos que diferentes duraciones implican diferentes instantes de aparición de grietas y la evaporación más rápida debido a la mayor cantidad de cemento hace que la aparición de la fractura sea permeable. De hecho, podemos observar la Figura 5.2.2.5. La muestra compactada 5% de cemento sigue siendo donde primero apareció la grieta, incluso aunque el tamaños de los poros se hace más grande para grandes cantidades de cemento, facilitando la entrada de aire a la atmósfera, lo que desencadenará más fácilmente el proceso de agrietamiento. Eso también está bien representado en el trabajo de Moscato (2020), ver la Figura 5.2.2.6. De hecho, en la muestra con mayor cantidad de cemento su aparición de las primeras grietas se produce más rápidamente y su proceso de propagación de las grietas termina antes que las muestras con menor cantidad de cemento se presenta en la Figura 5.2.2.7. Y si hacemos el análisis de imágenes podemos observar que las grietas estaban presentes a lo largo de los bordes del contenedor y no en todos los lados (ver Figura 5.2.2.8) Figura 5.2.2.5. El contenido de humedad respecto tiempo 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,1 02000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Masa (kg) Tiempo (min) 1% Compactado 3% Compactado 5% Compactado 0% Compactado Cracking point 5% Cracking point 3% Cracking point 1% Cracking point 0% Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 51 Figura 5.2.2.6. El contenido de humedad respecto tiempo (Moscato 2020) Figura 5.2.2.7. CIF vs Tiempo para segunda serie de experimentos 0,00% 1,00% 2,00% 3,00% 4,00% 5,00% 6,00% 050 100 150 200 CIF (%) Tiempo (horas) 1% Compactado 3% Compactado 5% Compactado 0% Compactado Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 52 Figura 5.2.2.8. Fotografia de la muestra compactada en secado En general, un espécimen compactado y estabilizado con cemento requiere más tiempo para aparición de la primera grieta que los especímenes de condiciones totalmente saturadas “slurry”, tal como los que son de la primera serie de experimentos, y por últimos estos muestras compactadas sus grietas aparecen solo a lo largo de los bordes mientras las muestras “slurry” sus grietas aparecen en toda la superficie. Por último, los valores de factor de Intensidad de grietas (CIF) para los suelos compactados estabilizados con diferentes porcentajes de cemento son mucho menores que a la condición de saturación completa que son los ensayos anteriores, ver figura 5.2.2.9. Hemos conseguido que los patrones de agrietamiento no sólo depende de la cantidad de material fino utilizado o del índice de plasticidad, sino que también desempeña un papel muy importante la densidad. Las condiciones de compactación sí ha influido en el comportamiento de los suelos cohesivos, sus propiedades como la conductividad hidráulica y la formación estructural. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 53 Figura 5.2.2.9. CIF vs Humedad para primera y segunda serie de experimentos 0,00% 1,00% 2,00% 3,00% 4,00% 5,00% 6,00% 7,00% 8,00% 9,00% 10,00% 0% 10% 20% 30% 40% 50% CIF (%) Humedad relativa 1% Compactado 3% Compactado 5% Compactado 1% Slurry 3% Slurry 5% Slurry Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 54 6-Conclusiones En este trabajo se realizaron ensayos de desecación en muestras de suelo limo arcilloso con y sin adición de diferentes porcentajes de cemento, manteniendo constante las condiciones de temperatura y humedad relativa, con la finalidad de caracterizar el comportamiento de todas aquellas muestras durante la formación de agrietamiento por desecación debido a su deshidratación o evaporación del aguas de sus poros. La investigación experimental realizada consistió en dos series de experimentos, se monitorizó y analizó la variación de masa y el cambio del contenido gravimétrico de humedad tras un proceso de secado para varias muestras modificando el porcentaje de cemento. La primera serie de experimentos se llevó a cabo en cuatro muestras con diferentes porcentajes de cemento en condiciones de saturación completa y humedad superior al límite liquido del suelo. En la segunda serie de experimentos se hizo lo mismo, pero con la compactación en la preparación, correspondiente a la humedad óptima del ensayo Proctor normal. En la primera serie de experimentos realizada, se observó que con el aumento del porcentaje de cemento se inhibía la aparición de agrietamiento, reduciendo el ancho y la geometría de las grietas, los valores de deformación volumétrica eran menores en los ensayos con un porcentaje de cemento elevado. En cambio, en la segunda serie de experimento se consiguió una disminución volumétrica pequeña con una formación de grietas muy finas a lo largo del perímetro de los especímenes. Tras los resultados obtenidos se puede afirmar que la presencia de cemento tiene una influencia positiva ante la propagación de las grietas, sobre todo en aquellas muestras con una saturación completa, evidentemente las cantidades de cemento también afectan la propagación de las grietas. Teniendo en cuenta que con una mayor cantidad de cemento se puede causar problemas como la disminución de la densidad seca fina por la sustracción de la succión, un alto valor del índice de vacíos debido a la acción aglutinante que impide que los granos se acerquen y se junten entre sí. Estos problemas desfavorecen la rigidez de la muestra. Por tanto, para entender bien la técnica de mitigación del agrietamiento en suelos mediante adiciones de cemento con el de ser más eficaz, es necesario identificar el porcentaje apropiado de cemento y la cantidad de agua en relación con el peso del suelo, En el presente trabajo se encontró que con el aumento del porcentaje de cemento, el suelo hace más resistente a la retracción que es el objetivo del presente TFG, es decir, que el cemento es un aditivo útil para reducir el agrietamiento. Lo ideal es utilizar 5% de cemento para cualquier tipo de suelo para mitigar el agrietamiento, porque con los análisis reciente realizados, todas las muestras con un 5% de cemento han llegado a unos resultados más favorables. Además una buena mejora en el uso de cemento es mediante la técnica de compactación para reducir el riesgo de rigidez, que reduce la formación y la propagación de grietas y mejora el comportamiento mecánico del suelo. En el estudio de las fotografías de los especímenes se observó hasta un 50% de reducción del CIF mediante la ayuda de la compactación. Así se puede dar un mejor resultado mediante la compactación de un suelo estabilizado con el cemento, porque mejora claramente la respuesta mecánica frente a la desecación. Mitigación del agrietamiento en suelos sometidos a desecación mediante aditivos Guangxiang Fan 55 6.1-Propuestas para futuras investigaciones Se propone para futuras investigaciones experimentales: - Realizar una metodología experimental diferente (variando tipos de suelo, porcentaje de cemento, energía de compactación, geometría de la muestra, tipo de aditivos, etc…). - Aumentar los números de muestras para validar más los resultados - Realizar los especímenes no solo a ciclos de secano sino también con la hidratación para simular las condiciones atmosféricas.