Estabilización del suelo

La estabilización del suelo es un término general para cualquier método físico, químico, mecánico, biológico o combinado de modificar un suelo natural para cumplir un propósito de ingeniería. ^{[ 1 ]} Las mejoras incluyen aumentar la capacidad de carga, la resistencia a la tracción y el rendimiento general de subsuelos inestables , arenas y materiales de desecho para fortalecer los pavimentos de carreteras .

Algunas tecnologías renovables son enzimas, surfactantes , biopolímeros , polímeros sintéticos, productos a base de copolímeros , polímeros acrílicos de estireno reticulados , resinas de árboles, estabilizadores iónicos, refuerzo de fibra, cloruro de calcio , calcita , cloruro de sodio , cloruro de magnesio y más. Algunas de estas nuevas técnicas de estabilización crean superficies y masas hidrofóbicas que previenen fallas en la carretera por penetración de agua o heladas fuertes al inhibir la entrada de agua en la capa tratada. Investigaciones recientes han explorado el uso de estabilizadores a base de enzimas como una alternativa ecológica a los aditivos químicos tradicionales. Estudios de campo han demostrado que los suelos tratados con enzimas pueden mejorar el desempeño de las carreteras forestales al mejorar la unión entre partículas de suelo y reducir la sensibilidad a la humedad, lo que contribuye a soluciones de estabilización más sostenibles y rentables. ^{[ 2 ]} Sin embargo, la tecnología reciente ha aumentado la cantidad de aditivos tradicionales utilizados para fines de estabilización de suelos. Entre estos estabilizadores no tradicionales se incluyen productos a base de polímeros (por ejemplo, polímeros acrílicos de estireno reticulados a base de agua que mejoran significativamente la capacidad de carga y la resistencia a la tracción de los suelos tratados), productos a base de copolímeros, refuerzo de fibras, cloruro de calcio y cloruro de sodio.

El suelo también puede estabilizarse mecánicamente con geosintéticos de estabilización , por ejemplo, geomallas o geoceldas , una técnica de estabilización mecánica del suelo en 3D. La estabilización se logra mediante la contención del movimiento de partículas para mejorar la resistencia de toda la capa. La contención en las geomallas se produce por medio del enclavamiento entre el agregado y la malla (y la membrana tensada), y en las geoceldas, por la tensión de confinamiento (circunferencial) de la pared de la celda sobre el agregado. ^{[ 3 ]} Los métodos de estabilización mecánica, como la contención de geoceldas combinada con la separación de geotextiles, se han utilizado cada vez más para mejorar el comportamiento estructural de los caminos de grava construidos sobre subrasantes débiles y anegadas. Las investigaciones de campo a gran escala en caminos forestales en Suecia han demostrado que las secciones reforzadas con geoceldas pueden aumentar significativamente la capacidad portante y reducir la deformación permanente de la superficie bajo cargas de tráfico repetidas en comparación con las estructuras de carreteras convencionales sin refuerzo. ^{[ 4 ]}

El estudio demostró además que los materiales de relleno de origen local utilizados en sistemas de geoceldas pueden ofrecer un rendimiento comparable o superior al de los áridos triturados importados, lo que indica posibles reducciones en la demanda de materiales, los requisitos de transporte y el impacto ambiental para la construcción de carreteras de bajo volumen. ^{[ 5 ]}

Las investigaciones también han demostrado que los materiales de relleno de origen local utilizados en sistemas de geoceldas pueden proporcionar un rendimiento estructural comparable o superior al de los áridos triturados importados, lo que contribuye a reducir la demanda de materiales y, potencialmente, a disminuir el impacto ambiental en la construcción de carreteras de bajo volumen. ^{[ 6 ]}

Las investigaciones también han indicado que los materiales de relleno de origen local utilizados en los sistemas de geoceldas pueden proporcionar un rendimiento comparable al de los áridos triturados importados, lo que contribuye a reducir la demanda de materiales y a mejorar la sostenibilidad en la construcción de carreteras de bajo volumen. ^{[ 7 ]}

También se han utilizado técnicas de drenaje mejoradas como método de estabilización, reduciendo el exceso de agua intersticial y aumentando la capacidad portante. Se ha demostrado que métodos como el uso de colchones de piedra mejoran el comportamiento estructural de caminos sin pavimentar y forestales, facilitando el drenaje y distribuyendo las cargas de manera más eficaz en condiciones de tráfico. ^{[ 8 ]}

Tradicionalmente y ampliamente aceptadas técnicas de estabilización de suelos utilizan productos como emulsiones bituminosas que pueden emplearse como aglutinantes para la producción de la base de la carretera. Sin embargo, el betún no es un producto respetuoso con el medio ambiente y se vuelve quebradizo al secarse. El cemento Portland se ha utilizado como alternativa para la estabilización de suelos. No obstante, suele ser un componente costoso y no una alternativa respetuosa con el medio ambiente . Las cenizas volantes de cemento , las cenizas volantes de cal (por separado o con cemento o cal), el betún, el alquitrán, el polvo de horno de cemento (CKD), la resina de árbol y los estabilizadores iónicos son agentes estabilizadores de uso común. Otras técnicas de estabilización incluyen el uso de materiales del lugar, como subsuelos, arenas, residuos mineros, residuos de la industria de la piedra natural ^{[ 9 ]} y residuos de construcción triturados , para proporcionar carreteras locales estables y libres de polvo, logrando así un control total del polvo y una estabilización completa del suelo.

Muchas alternativas ecológicas tienen esencialmente la misma fórmula que los detergentes en polvo , simplemente lubricando y realineando el suelo sin propiedades aglutinantes efectivas. Muchos de los nuevos enfoques se basan en grandes cantidades de arcilla con sus propiedades aglutinantes inherentes. El betún, las emulsiones de alquitrán, el asfalto, el cemento y la cal pueden utilizarse como aglutinantes para la base de la carretera.

La Sociedad Nacional de Ingenieros Profesionales (NSPE) ha explorado nuevas tecnologías de estabilización de suelos, buscando alternativas eficaces y no perjudiciales. Una de ellas utiliza una tecnología innovadora basada en la reticulación de polímeros acrílicos de estireno . Otra alternativa emplea cristales largos para crear una estructura de celda cerrada impermeable al agua, las heladas, los ácidos y la sal.

Mediante la utilización de una nueva tecnología de estabilización de suelos, un proceso de reticulación dentro de la formulación polimérica puede sustituir los métodos tradicionales de construcción de carreteras y viviendas de una manera eficaz y respetuosa con el medio ambiente .

Otro método de estabilización de suelos, denominado Método de Mezcla Profunda, es no destructivo y eficaz para mejorar la capacidad portante de estratos de suelo débiles o sueltos. Este método utiliza una pequeña sonda de inyección del tamaño de una moneda de un centavo, minimiza los residuos y es ideal para la recompactación y consolidación de estratos de suelo débiles, aumentando y mejorando la capacidad portante de las estructuras y remediando problemas de sumideros superficiales y profundos. Resulta particularmente eficiente cuando se necesita reforzar infraestructuras públicas y privadas deficientes.

Las propiedades del cloruro de magnesio absorbente de agua (delicuescente) incluyen:

1. Absorbe agua del aire con una humedad relativa del 32% , casi independientemente de la temperatura.
2. Las carreteras tratadas pueden ser niveladas y compactadas nuevamente con menor preocupación por la pérdida de humedad y densidad.

Sin embargo, las limitaciones incluyen:

1. Nivel mínimo de humedad
2. Más adecuado para climas secos.
3. Las soluciones concentradas se vuelven muy corrosivas ,
4. Atracción de la humedad, prolongando así el período activo para la corrosión.
5. Un alto contenido de finos en el material tratado puede hacerlo resbaladizo cuando está mojado.
6. Cuando la solución es inferior al 20%, su eficacia de rendimiento es similar a la del agua ^{[ 10 ] [ 11 ].}

El uso de cloruro de magnesio en carreteras sigue siendo controvertido. Los defensores afirman (1) aire más limpio, lo que conduce a una mejor salud ya que el polvo fugitivo puede causar problemas de salud en jóvenes, ancianos y personas con afecciones respiratorias; ^{[ 12 ]} y (2) mayor seguridad a través de mejores condiciones de la carretera, ^{[ 13 ] [ 14 ]} incluyendo mayor visibilidad del conductor y disminución de riesgos causados ​​por grava suelta, zonas blandas, rugosidad de la carretera y piedras voladoras. ^{[ 15 ]} Reduce los sedimentos extraños en las aguas superficiales cercanas ^{[ 16 ]} (polvo que se deposita en arroyos y riachuelos), ayuda a prevenir el crecimiento atrofiado de los cultivos causado por poros obstruidos en las plantas y mantiene limpios los vehículos y la propiedad. ^{[ 17 ]} Otros estudios muestran que el uso de sales para el deshielo de carreteras o la supresión de polvo puede contribuir con cantidades sustanciales de iones cloruro a la escorrentía de la superficie de las carreteras tratadas con los compuestos. Las sales MgCl ₂ (y CaCl ₂ ) son muy solubles en agua y se disocian. ^{[ 18 ]} Las sales, cuando se utilizan en superficies de carreteras, se disuelven durante la temporada de lluvias y se transportan al agua subterránea a través de la infiltración y/o la escorrentía hacia cuerpos de agua superficiales. ^{[ 14 ]} La infiltración de agua subterránea puede ser un problema y el ion cloruro en el agua potable se considera un problema cuando las concentraciones superan los 250  mg/L. Por lo tanto, está regulado por las normas de agua potable de la EPA de los Estados Unidos. La concentración de cloruro en el agua subterránea o superficial depende de varios factores, entre ellos:

1. Tasa de aplicación
2. Composición y tipo de suelo
3. Tipo, intensidad y cantidad de precipitación
4. Drenaje del sistema vial ^{[ 19 ]}

Además, la concentración de cloruro en el agua superficial también depende del tamaño o caudal del cuerpo de agua y la dilución resultante. En un estudio de concentración de cloruro realizado en Wisconsin durante un período de deshielo invernal, se analizó la escorrentía de los desagües de las carreteras. Todos los estudios indicaron que la concentración de cloruro aumentó como resultado de las actividades de deshielo, pero los niveles aún estaban por debajo del Límite Máximo de Cloruro (MCL) de 250  mg/L establecido por la EPA. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} Sin embargo, se desconoce el efecto a largo plazo de esta exposición.

Aunque la EPA de EE. UU. ha establecido la concentración máxima de cloruro en el agua para uso doméstico en 250  mg/L, los animales pueden tolerar niveles más altos. Se dice que, en niveles excesivamente altos, el cloruro afecta la salud de los animales. ^{[ 25 ]} Como lo declaró el Comité Asesor Técnico Nacional del Secretario del Interior (1968), "La salinidad puede tener un doble efecto en la vida silvestre; uno directo que afecta los procesos corporales de las especies involucradas y uno indirecto que altera el medio ambiente, haciendo que la perpetuación de las especies vivas sea difícil o imposible". Un problema importante asociado con el uso de sal descongelante en lo que respecta a la vida silvestre es que se sabe que los animales tienen "antojo de sal" y, por lo tanto, se sienten atraídos por las carreteras saladas, lo que puede ser un peligro para el tráfico tanto para los animales como para los automovilistas.

En cuanto a la acumulación de sales de cloruro en suelos de carretera, incluyendo los efectos adversos sobre la fisiología y morfología de las plantas y la vegetación de las carreteras, la documentación se remonta a la época de la Segunda Guerra Mundial ^{[ 26 ]} y continúa vigente hasta la actualidad ^{[ 27 ]} . En lo que respecta a las plantas y la vegetación, la acumulación de sales en el suelo afecta negativamente su fisiología y morfología al aumentar la presión osmótica de la solución del suelo, alterar la nutrición mineral de la planta y acumular iones específicos hasta alcanzar concentraciones tóxicas en las plantas. ( En cuanto a la aplicación intencional de sales en exceso, véase Salar la Tierra ).

Los departamentos de carreteras y la industria privada pueden aplicar cloruro de magnesio líquido o en polvo para controlar el polvo y la erosión en caminos sin pavimentar (de tierra o grava) y lugares de trabajo polvorientos como canteras, ya que es relativamente económico de comprar y aplicar. Su higroscopia hace que absorba la humedad del aire, limitando la cantidad de partículas más pequeñas (limos y arcillas) que se dispersan en el aire. El beneficio más significativo de aplicar productos para el control del polvo es la reducción de los costos de mantenimiento de caminos de grava. ^{[ 28 ]} Sin embargo, investigaciones y actualizaciones recientes indican que la toxicidad biológica en el medio ambiente en las plantas es un problema constante. ^{[ 27 ]} Desde 2001, los camioneros se han quejado de "químicos asesinos" en las carreteras y ahora algunos estados están dejando de usar productos de sal. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Un pequeño porcentaje de propietarios de pistas cubiertas (por ejemplo, para equitación) pueden aplicar cloruro de magnesio a la arena u otros materiales de superficie para controlar el polvo. Si bien el cloruro de magnesio utilizado en un entorno ecuestre se suele denominar supresor de polvo, técnicamente es más preciso considerarlo como un agente que aumenta la humedad, ya que su eficacia se basa en la absorción de la humedad del aire y de cualquier otra sustancia con la que entre en contacto.

Para controlar o mitigar el polvo, los cloruros necesitan humedad para funcionar eficazmente, por lo que funcionan mejor en climas húmedos que en áridos. A medida que aumenta la humedad, el cloruro extrae la humedad del aire para mantener la superficie húmeda, y a medida que disminuye, se difunde y libera la humedad. Estos cambios de equilibrio naturales también permiten que los cloruros se utilicen como agentes deshidratantes, incluyendo el secado, el curado y la conservación de pieles. ^{[ 31 ]}

Como estabilizador de carreteras, el cloruro de magnesio aglutina las partículas de grava y arcilla para evitar que se desprendan de la carretera. Las características de absorción de agua (higroscópicas) del cloruro de magnesio impiden que la carretera se seque, lo que mantiene la grava en el suelo. La carretera permanece continuamente "húmeda", como si un camión cisterna la acabara de rociar. ^{[ 32 ]}

• Confinamiento celular
• Control de la erosión
• Siembra posterior al incendio Estabilización del suelo
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• Tierra estabilizada mecánicamente
• Estabilización de suelos con polímeros