Dispersividad (Arcillas Dispersivas)

La erosión de suelos es un fenómeno de impredecibles consecuencias para estructuras hidráulicas, presas de tierra, terraplenes para carreteras, entre otras. Particularmente, cuando dicho fenómeno se asocia al uso inapr}opiado de arcillas dispersivas. Por lo anterior, este es un aspecto de vital importancia y que debe ser tenido en cuenta durante el diseño y construcción de los mencionados tipos de estructuras.

Algunos suelos arcillosos pueden perder cohesión cuando se exponen al agua de una composición química particular (Arulanandan  et ál. 1975)[1]. Dichos suelos arcillosos naturales se dispersan o defloculan en presencia de agua relativamente pura y son, por lo tanto, altamente susceptibles a la erosión y la tubificación, incluso cuando el agua a la que se encuentran expuestos tiene poca o ninguna velocidad hidráulica. Tales suelos son conocidos como suelos dispersivos o arcillas dispersivas (Sherard et ál. 1976)1.

Durante el fenómeno de dispersividad las partículas de arcilla tienen un mínimo de atracción electroquímica, por lo cual no se adhieren estrechamente a otras partículas de suelo.

En general, la tendencia a la erosión de un suelo debido al fenómeno de la dispersividad depende de variables tales como la mineralogía y química de la arcilla, así como de las sales disueltas en el agua presente en los poros del suelo.

La principal diferencia entre las arcillas dispersivas y arcillas ordinarias resistentes a la erosión es la naturaleza de los cationes en el agua presente en los poros de la masa de arcilla. En las arcillas dispersivas predominan los cationes de sodio, mientras que en las arcillas ordinarias predominan los cationes de calcio, potasio y magnesio en el agua de poros. En consecuencia, este fenómeno químico es propio de suelos salinos[2].

Las arcillas dispersivas no han sido definitivamente asociadas con un origen geológico específico pero la mayoría ha sido encontrada como arcillas de origen aluvial. Igualmente, en algunas áreas, rocas arcillolitas y lutitas tienen las mismas sales en el agua de poros que las acillas dispersivas y, por lo tanto, sus suelos residuales son dispersivos.  Estudios recientes indican que las arcillas dispersivas se encuentran asociadas solo con suelos formados en climas áridos y semiáridos. La identificación de suelos dispersivos comienza en campo, determinando si existen indicadores de erosión inusual en el terreno, tales como túneles o depresiones profundas, simultáneamente con excesiva turbiedad en los cuerpos de agua, entre otros.

El chequeo del potencial dispersivo de una arcilla se hace contando iones disueltos de Na+, Mg++, Ca++ y K+ y comparando, con el total de sales, en términos de concentración 2. Para esto los cinco ensayos comúnmente utilizados son Ensayo de Crumb, Ensayo de Doble Hidrómetro, Ensayo de Pinhole, Ensayo de las Sales Disueltas en Poros de Agua y el ESP (Porcentaje de sodio alterable).

La falla por tubificación en terraplenes o presas de tierra ocurre cuando se concentran filtraciones que emergen aguas abajo de la estructura causadas por el flujo de agua a través de los poros del suelo. La erosión empieza en la descarga de la filtración, causando una concentración local del flujo y de las fuerzas de erosión, lo cual genera, en pocas horas, la propagación hacia aguas arriba formando un túnel que al alcanzar la fuente de agua ocasiona la falla repentina de la estructura.

La erosión superficial en masas de suelos cohesivos, a menudo ocurre en suelos dispersivos cuando entran en contacto con el agua lluvia. La separación de los gránulos de suelo facilita el arrastre de las partículas contribuyendo a la erosión superficial y, adicionalmente, puede ser un factor que influya en la erosión interna de la masa de suelo. Este es un problema común en terraplenes para carreteras.

Sin embargo existe una gran cantidad de presas de arcillas dispersivas que no han presentado los mencionados tipos de problemas. Existe mucha evidencia experimental y teórica que soporta la conclusión de que este tipo de fallas no se inician por la filtración de agua entre los poros de una masa de arcilla bien compactada[4]. La mayoría de los estudios han mostrado que las fallas de estructuras construidas con arcillas dispersivas ocurren en la primera humectación. Todas las fallas fueron asociadas con presencia de agua, sumada a un agrietamiento por contracción, asentamientos diferenciales o deficiencias de construcción.

[1] Soil Mechanics in Engineering Practice – Third Edition - Karl Terzaghi, Ralph B. Peck,[2] Mecánica de Suelos I - Gonzalo Duque E. y Carlos E. Escobar[3] Characteristics and Problems Of Dispersive Clay Soils – Paul C. Knodel - U.S.  Department Of The Interior[4] Dispersive Clays, Related Piping, and Erosion in Geotechnical Projects - ASTM[5] Dispersive and Erodible Soils – Fundamental Diferences P. Paige-Green