Descripción del área de estudio

El sitio de estudio corresponde a un proyecto de construcción para una obra de almacenamiento en las coordenadas 20° 9' 43.18" N y 98° 29' 42.65" O (Figura 1) ubicado en la localidad de Santo Domingo, Huasca de Ocampo, Hidalgo. El área forma parte del Eje Neovolcánico Transversal, específicamente de la subprovincia de llanuras y sierras de Querétaro e Hidalgo (^{INEGI, 2009}). El sitio de muestreo se encuentra a 2294 m de altitud; la temperatura promedio es de 17 °C; el suelo predominante es vertisol crómico con una alta proporción de arcillas expandibles y la vegetación corresponde a bosque de encino con vegetación secundaria (^{Hernández et al., 2019}).

Figura 1: Localización del área de estudio en Santo Domingo, Huasca de Ocampo, Hidalgo.  

Figure 1: Location of the study area in Santo Domingo, Huasca de Ocampo, Hidalgo. 

El procedimiento seguido en la investigación (Figura 2) consistió en primer lugar determinar las propiedades físicas, químicas y mecánicas del suelo residual, entre estas últimas, la prueba próctor estándar para obtener la máxima densidad específica y la humedad óptima de compactación aplicable a todos los métodos de ensayo. En segundo lugar, se determinaron los tratamientos de cada método de sellado, los cuales se montaron en un permeámetro de carga constante para determinar el coeficiente de permeabilidad (K) del suelo. Las determinaciones de permeabilidad se efectuaron en dos etapas para medir el efecto de los tratamientos a través del tiempo. Las permeabilidades resultantes se analizaron con el software R para identificar los mejores tratamientos a través de la varianza - con un nivel de significancia α = 0.05 - y la comparación de medias con la diferencia mínima significativa (LSD). Con base en los resultados obtenidos, se realizó un análisis económico comparando los precios unitarios de los tratamientos ubicados debajo del límite permisible (K = 0.864 mm día^‑1) contra el precio de la geomembrana. Finalmente se seleccionó el mejor tratamiento con respecto a su costo unitario y su permeabilidad.

Figura 2: Metodología para identificar los mejores tratamientos en el control de la permeabilidad del agua.  

Figure 2: Methodology to identify the best treatments in the control of water permeability. 

Determinaciones físicas, químicas y mecánicas del suelo

Se realizó un muestreo en el sitio de la posible construcción de la obra de almacenamiento. Con el uso de una retroexcavadora, se hicieron calicatas para tomar muestras a una profundidad de uno a dos metros. Las propiedades determinadas fueron: pH con el método descrito en ^{SEMARNAT (2002)}; textura por el método de Bouyoucos modificado (previa separación de arenas); conductividad eléctrica (CE) con la metodología de ^{SEMARNAT (2002)}; materia orgánica por el método de ^{Walkley y Black (1934)}; alófana mediante el procedimiento de ^{Fieldes y Perrot (1966)}; capacidad de intercambio catiónico (CIC) con el método sugerido por ^{Chapman (1965)}; porcentaje de sodio intercambiable (PSI) descrito en ^{SEMARNAT (2002)}; identificación de la fracción arcillosa con el difractor de rayos X con tratamiento previo al suelo sugerido por (^{Kunze y Dixon, 1986}); cationes con el método mostrado en ^{SEMARNAT (2002)} y límites de Atterberg (LL y LP) con el uso de la copa de Casagrande (^{ASTM, 2017b}). La clasificación del suelo se hizo con el criterio SUCS de la norma ^{ASTM (2017a)} determinando los límites líquido y plástico en la carta de plasticidad de Casagrande.

Las determinaciones se muestran en el Cuadro 1. La textura del suelo residual corresponde a una arcilla con presencia de caolinita, montmorillonita, halloysita, bernesita, todorokita y gibbsita. El pH es moderadamente ácido (^{SEMARNAT, 2002}). La CIC corresponde a caolinitas según ^{SEMARNAT (2002)}, el catión dominante fue el calcio. El PSI (10%) es bajo, según ^{Shainberg y Letey (1984)} un aumento por arriba de 15% de sodio desintegra las arcillas y reduce la infiltración. No existe cementación entre las partículas por presencia de carbonatos. Los límites de Atterberg indicaron la presencia de una arcilla inorgánica de baja plasticidad (Figura 3). La inexistencia de alófana indica un suelo muy meteorizado (^{Fisher y Schmincke, 1984}). El porcentaje de materia orgánica es bajo según ^{SEMARNAT (2002)} y la conductividad eléctrica reporta efectos despreciables de salinidad (^{SEMARNAT, 2002}).

Figura 3: Clasificación del suelo residual en la carta de plasticidad de Casagrande. CL = arcillas inorgánicas de plasticidad baja a media; CH = arcillas inorgánicas de alta plasticidad; ML = limos inorgánicos de ligera plasticidad; OL = limos orgánicos o arcillas limosas orgánicas de baja plasticidad; MH = limos inorgánicos; OH = arcillas orgánicas de plasticidad media a alta (^{ASTM, 2017b}). 

Figure 3: Classification of residual soil in the Casagrande plasticity charter. CL = inorganic clays with low to medium plasticity; CH = high plasticity inorganic clays; ML = light plasticity inorganic silts; OL = organic silts or low plasticity organic silty clays; MH = inorganic silts; OH = organic clays of medium to high plasticity (^{ASTM, 2017b}). 

Prueba de compactación próctor estándar

El ensayo se realizó aplicando el Método A de la norma ^{ASTM (2012)}. El suelo se tamizó en malla #4 (4.76 mm), utilizando un molde de 4 pulgadas (101.6 mm) y se compactó en tres capas, con 25 golpes por capa. El pisón utilizado fue de 5.5 lbf (24.4 N) con caída de 12 pulgadas (305 mm) de altura, produciendo una energía de compactación de 12,400 pie-lbf pies³ (600 kN-m m³). La densidad específica, para una humedad óptima del 12%, resultó de 1.70 g cm^-3 (Figura 4).

Figura 4: Curva de compactación próctor estándar.  

Figure 4: Standard proctor compaction curve. 

Dosis de tratamientos y estabilización del suelo

Se analizaron 11 métodos y un testigo (Cuadro 2). En total se analizaron 46 tratamientos, con cuatro repeticiones cada uno, dando un total de 184 réplicas, los cuales se homogenizaron, se secaron al aire y se pasaron por el tamiz #4 (4.76 mm); como se especifica en la norma ^{ASTM (2012)}. Los tratamientos del 1 al 45 se compactaron conforme a valores de humedad y densidad específica obtenidos de la prueba próctor. Cada repetición se realizó en moldes de PVC de 75 mm de diámetro, con un espesor de suelo de 15 cm.

Para la gleyzación se utilizó la metodología descrita por (^{Nicholaichuk, 1978}). El procedimiento consistió en colocar una capa de arena en el fondo del cilindro, seguido por cinco cm de suelo, después una capa de estiércol fresco de porcino, paja y cinco cm de suelo. Fueron cuatro tratamientos con las dosis mostradas en la Figura 2.

En las dosis de tratamientos con dispersantes de partículas (Figura 2), primero se obtuvo el peso molecular (PM) de cada dispersante en g mol^-1 para posteriormente multiplicarlo por la cantidad de sodio que retiene el suelo en g kg^-1, el resultado se dividió entre el PM del sodio (g mol^-1). La cantidad de sodio que retiene el suelo se obtuvo multiplicando la CIC (12 cmol₊ kg^-1) por el PM del sodio (23 g mol^-1). Con estos datos se obtuvieron gramos de dispersantes por cada kilogramo de suelo que se utilizaron como referencia para la dosis final de cada uno de los tratamientos.

La dosis para el método de sellado con bentonita sódica se realizó con base en la recomendación de ^{Pfost et al. (1997)} con aplicaciones de 4 a 16 kg m^-2. Por cuestiones de simplicidad, se fijaron dosis en 15, 30, 45 y 60 g de bentonita sódica por kilogramo de suelo.

En el sellado con cemento y arena se hicieron pruebas preliminares, variando el porcentaje de cemento en: 6, 8, 10 y 12% y la arena en 15, 20, 25 y 30%, efectuando en un inicio todas las combinaciones posibles. Los resultados preliminares permitieron ver que tratamientos con 12% de cemento y el porcentaje más bajo de arena reducían la permeabilidad a valores cercanos a 0 mm día^-1. De este modo, se decidió ensayar la permeabilidad con cemento al 12% y la arena se varió en 10, 12, 14 y 16% (Figura 2).

En tratamientos con cal, se determinó el porcentaje óptimo de cal según indicaciones proporcionadas por la norma ^{ASTM (2019)} bajo el criterio de incrementar el contenido de cal hasta que el pH alcance un valor de 12.4; siendo esa la dosis necesaria para estabilizar el suelo (^{Mendoza et al., 2018}) por la producción de gel de sílice. En este caso, para el suelo del sitio resultó un porcentaje de 12% para un pH de 11.9 (Figura 5). Con este porcentaje de cal, usado como referencia, la dosis para los tratamientos se fijó en 6, 10, 14 y 18% con respecto al peso del suelo.

Figura 5: Variación del pH con respecto a las diferentes mezclas de suelo-cal.  

Figure 5: Variation of the pH according to the different mixtures of soil-lime. 

Medición del coeficiente de permeabilidad

Para la determinación del coeficiente de permeabilidad se utilizó un permeámetro con una carga constante de ocho metros. Las muestras de cada ensayo se saturaron dos días (Figura 6). El agua que pasaba por la columna se midió en periodos de tres y seis horas, dependiendo de los tratamientos. En general, se dejó que la muestra se estabilizara durante 12 horas, pero en algunos casos se necesitó más tiempo hasta que el volumen resultara constante.

Figura 6: Esquema del permeámetro de carga constante, dimensiones fuera de escala. 

Figure 6: Diagram of the constant charge permeameter, dimensions out of scale. 

Análisis estadístico

Para el análisis de la respuesta de los diferentes métodos de sellado, en el control de la permeabilidad del suelo, se realizó un análisis de varianza (ANDEVA), mediante el uso del software R (^{R Core Team, 2020}). Para la comparación de medias, se utilizó el método de comparaciones múltiples con la diferencia mínima significativa (LSD) o t-Fisher, dicho procedimiento consiste en una prueba de hipótesis por parejas basada en la distribución t. El nivel de significancia utilizado fue α = 0.05.

Análisis económico

Para cada uno de los tratamientos y la geomembrana se realizó un análisis de precios unitarios por m². Los precios de mano de obra, equipo y herramienta se obtuvieron del catálogo de costos horarios de maquinaria de la Cámara Mexicana de la Industria de la Construcción (^{Rodríguez y López, 2019}). La clasificación de los tratamientos se hizo con base en el costo relativo (%) entre el precio unitario del tratamiento y de la geomembrana.

Coeficiente de permeabilidad de los tratamientos

Los mayores valores de permeabilidad se encontraron en los tratamientos de gleyzación, seguidos de los tratamientos con cal hidratada, mientras que los valores menores correspondieron a los dispersantes de partículas (Cuadro 2).

En la Figura 7 se observan los coeficientes de permeabilidad resultantes de los tratamientos de gleyzación, bentonita sódica, cemento-arena, cal hidratada y compactación próctor estándar. En tratamientos con gleyzación el coeficiente de permeabilidad promedio resultó superior al límite máximo permitido (0.864 mm día^-1) para obras de ingeniería civil (^{Jaramillo, 2002}; ^{Crespo, 2004}; ^{USDA, 2012}; ^{FAO, 2020}). El tratamiento con menor coeficiente de permeabilidad (K = 7.88 mm día^-1) contenía 40 g de paja y 4 cm de estiércol. Si se compara el valor anterior con el reportado por ^{Nicholaichuk (1978)} (12 mm día^-1), ^{Teichert-Coddington, Peralta y Phelps (1989)} (7-12 mm día^-1), ^{McConkey et al. (1990)} (48.72 mm día^-1) y ^{Ahmad et al. (1996)} (30 mm día^-1) se encuentra en los límites inferiores, considerando que los autores dejaron el experimento por más tiempo y continuaron sus mediciones en periodos de 2 a 3 meses, 350 días, 1 año, 2 años y 5 años.

Figura 7: Coeficiente de permeabilidad en tratamientos con: (a) gleyzación, (b) bentonita sódica, (c) cemento - arena, (d) cal hidratada y (e) compactación próctor estándar.  

Figure 7: Permeability coefficient in treatments with: (a) gleization, (b) sodium bentonite, (c) cement - sand, (d) hydrated lime and (e) standard proctor compaction. 

En los tratamientos con bentonita sódica (Figura 7) de 45 y 60 g kg^-1 se tuvieron permeabilidades inferiores al umbral permitido (0.864 mm día^-1), también se observó que a mayor dosis y paso del tiempo el coeficiente era menor. Todas las dosis de cemento-arena tuvieron permeabilidades menores al umbral de referencia (0.864 mm día^-1) y el valor más bajo (K = 0.05 mm día^‑1) correspondió a la combinación 12% de cemento y 10% de arena, con respecto al peso del suelo.

Para la cal hidratada (Figura 7), en el primer ensayo de permeabilidad resultaron valores elevados entre 246.96 y 280.63 mm día^-1; sin embargo, en la segunda prueba la permeabilidad disminuyó entre 8.61 y 20.08 mm día^-1; pero no se alcanzó el límite aceptable (K = 0.864 mm día^-1). Esto probablemente se relacione con la cal hidratada que se adicionó y que promovió la floculación de la arcilla, lo que favoreció una mayor permeabilidad del suelo (^{Weil y Brady, 2017}).

El tratamiento a base de compactación (Figura 7), con al menos 85% de la prueba próctor estándar, mostró permeabilidades menores al umbral de 0.864 mm día^-1. En este tratamiento se observó un incremento de la permeabilidad con el paso del tiempo, pasando de 0.53 a 0.70 mm día^-1 (64 días después de la primera medición) y 1.09 mm día^-1 99 días después; probablemente asociado a cambios de humedad del suelo por secado y mojado debido principalmente al contenido de arcilla expandible del tipo 2:1 (montmorillonita) (^{Weil y Brady, 2017}).

Por último, en la muestra inalterada (Cuadro 2) se obtuvo una permeabilidad promedio de 13.25 mm día^‑1) que representa las condiciones naturales del sitio de estudio, valor que corresponde a un suelo permeable según la clasificación (^{FAO, 2020}).

En la Figura 8 se muestra la permeabilidad de tratamientos con dispersantes de partículas. De manera general los valores de los coeficientes de permeabilidad se ubicaron por abajo del límite permisible (0.864 mm día^‑1) a excepción de la dosis de 16 g de silicato de sodio por kilogramo de suelo. De forma particular, el carbonato de sodio demostró ser muy eficiente en el control de la infiltración y el tratamiento más efectivo fue la dosis 4 g kg^-1 de suelo, con valor K = 0.0 mm día^-1. Lo cual contrasta con los valores encontrados por ^{Nicholaichuk (1978)} (2.4 mm día^-1), ^{Neff (1980)} (4 mm día^-1) y ^{Barreto et al. (2003)} (26.4 mm día^-1). El tripolifosfato de sodio tuvo una tendencia similar al carbonato de sodio, el valor promedio más eficaz fue K = 0 mm día^-1 para dosis de 6 y 10 g kg^-1. En el caso del fosfato de sodio el valor promedio efectivo fue 0 mm día^-1 para la dosis mínima (6 g kg^-1). Al evaluar los tratamientos con silicato de sodio, la dosis que proporcionó el menor coeficiente de permeabilidad (K = 0.16 mm día^-1) fue de 6 g kg^‑1. Con respecto al cloruro de sodio, los tratamientos con la menor permeabilidad (K = 0.03 mm día^-1) correspondieron a las dosis máximas (16 y 20 g kg^-1). Para el hidróxido de sodio dosis de 4 g kg^-1 controlaron la permeabilidad a un nivel de 0.02 mm día^-1.

Figura 8: Coeficiente de permeabilidad en tratamientos con dispersante de partículas: (a) carbonato de sodio, (b) tripolifosfato de sodio, (c) fosfato de sodio, (d) silicato de sodio, (e) cloruro de sodio y (f) hidróxido de sodio.  

Figure 8: Permeability coefficient in particle dispersant treatments: (a) sodium carbonate, (b) sodium tripolyphosphate, (c) sodium phosphate, (d) sodium silicate, (e) sodium chloride and (f) sodium hydroxide sodium. 

La efectividad de los tratamientos con dispersantes de partículas está relacionada con las características químicas del suelo. La primera se debe a la alta proporción de iones de Na⁺ que tienen una carga única, gran tamaño hidratado y son atraídos débilmente por los coloides del suelo. La segunda característica, es la baja concentración de electrolitos en el suelo (CE) permitiendo la dispersión de las arcillas (^{Weil y Brady, 2017}). La última característica se debió a la incorporación de sodio al suelo, que al hidrolizarse aumentó drásticamente la concentración de iones hidroxilo de la solución del suelo (^{Brady, 1984}), incrementando el pH y el PSI (de 10% a un valor mayor del 15%) provocando la dispersión de la caolinita, montmorillonita y halloysita (^{Shainberg y Letey, 1984}). En el caso de la montmorillonita, ésta aumenta su grado de hinchamiento y a medida que se expande los poros más grandes, responsables del drenaje del agua en el suelo, se cierran y desarrollan una estructura de suelo firme e impermeable (^{Weil y Brady, 2017}).

Comparación de tratamientos

Se concluye, con un nivel de significancia α = 0.05, que no todos los tratamientos producen el mismo efecto (Cuadro 3). El valor Pr = 2e^-16 indicó que al menos una de las medias fue diferente. En total, se obtuvieron 35 tratamientos sin diferencias significativas entre ellos y permeabilidades por debajo del nivel permisible de 0.864 mm día^-1; pudiendo ser cualquiera de ellos candidatos para el control de la permeabilidad del suelo residual.

Los tratamientos que no cumplen con el límite permisible (0.864 mm día^-1) son: cal hidratada (T41, T42, T43 y T44), gleyzación (T1, T2, T3 y T4), bentonita sódica (T33 y T34) y muestra inalterada (T46). En tratamientos con cal hidratada se observa que a mayor dosis la infiltración se reduce. Sin embargo, existe otro factor que determina la efectividad de la misma y es el tiempo. En la investigación, la medición se hizo hasta un lapso de 115 días, lo que evitó valorar su efectividad por más tiempo, por ejemplo, ^{Herrier et al. (2013)} obtuvo valores satisfactorios hasta los 35 años. En el caso del método de sellado por gleyzación, el tiempo de medición (81 días) fue muy corto, comparado con los cinco años que ^{McConkey et al. (1990)} registró, alcanzando una permeabilidad de 48.72 mm día^‑1. Los tratamientos no efectivos de bentonita sódica se debieron a dosis bajas para alcanzar un sellado aceptable.

Análisis económico

Se encontró que 35 tratamientos presentan infiltraciones por debajo del umbral de 0.864 mm día^-1, marcados con la letra d (Cuadro 3). De estos tratamientos, se analizó costo unitario con relación al precio unitario de la geomembrana, resultando 32 tratamientos con costos inferiores a la geomembrana (Figura 9). Los resultados mostraron que el mejor tratamiento tanto económicamente, como efectivo en el control de la infiltración fue T45 (compactación próctor estándar), sin embargo, al evaluar el coeficiente de permeabilidad hubo inestabilidad en la columna del suelo, dando valores muy dispersos, lo cual no es recomendable utilizarlo como un método para controlar filtraciones en el sitio del proyecto.

Como segunda alternativa se tienen tratamientos con dispersantes, entre ellos el cloruro de sodio (T25, T26, T27 y T28), carbonato de sodio (T5, T6, T7, T8 y T9), hidróxido de sodio (T29, T30, T31 y T32), tripolifosfato de sodio (T10, T11, T12, T13 y T14), silicato de sodio (T20, T21, T22, T23 y T24) y fosfato de sodio (T15 y T16) Estos tratamientos, redujeron la permeabilidad promedio entre 0 y 0.30 mm día^-1, aunque las permeabilidades son aceptables se tiene el inconveniente, como menciona ^{Neff (1980)} de requerir aplicaciones cada dos o tres años para mantener su eficacia.

Figura 9: Comparación entre el coeficiente de permeabilidad y el análisis económico de los tratamientos efectivos.  

Figure 9: Comparison between the permeability coefficient and economic analysis of effective treatments. 

Como tercera opción se tienen los tratamientos con cemento-arena (T37, T38, T39 y T40), los cuales redujeron el coeficiente de permeabilidad de muy buena manera, entre 0.05 y 0.08 mm día^-1, un valor excelente. La ventaja de este método es que no requiere de mantenimiento, según ^{Payán et al. (2017)} su efecto es duradero, y sus costos alcanzan en promedio un 66% respecto a la geomembrana. Por otra parte, los tratamientos con bentonita sódica (T35 y T36) resultaron efectivos y sus costos comparados con la geomembrana son 68% y 88%, respectivamente.