Materiales

Se conformaron tres muestras de suelo fino de consistencia blanda, y fibra de cáñamo de 4 cm de longitud, con dos diferentes proporciones de cáñamo según el peso seco requerido para cada ensayo, asignando las muestras como Arcilla Patrón, A_p, Arcilla con 0.5 % de cáñamo, A0.5 %, y Arcilla con 0.75 % de Cáñamo, A0.75 % (^{Abou Diab et al., 2018}; ^{Mazhoud et al., 2017}; ^{Widianti y Diana, 2020}). El material que se seleccionó para reunir las tres mezclas de suelo, se obtuvo del resultado de la excavación realizada en la operación de pilotaje del edificio de posgrados de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia [UPTC] ubicado en la zona urbana nororiental de la ciudad de Tunja.

Nota. La Figura 1a. es una muestra de la arcilla utilizada en la investigación. Es evidente los colores terracota, ocre y pequeñas láminas de azul rey. La Figura 1b corresponde a una muestra de fibra de cáñamo, cortada a 4 cm de longitud.

Figura 1 Materiales usados para la investigación 

La fibra que se usó en la investigación se adquirió de la fábrica Hemp Traders, ubicada en Paramount, California, EE. UU., cuyas propiedades índice son las recomendadas por ^{Eichhorn et al. (2001)}, ^{Lu et al. (2012)}, y ^{Abou Diab et al. (2016)}. La fibra adquirida es enriada y cardada, comprada en kg según lo requerido en cada prueba. El suelo utilizado fue recolectado a medida que la piloteadora avanzaba en la preexcavacion de cada pilote, siendo este, semi-inalterado, húmedo, blando, de colores (entre café, ocre, gris) y pequeñas trazas de un material color azul rey intenso, incluidas en la estructura del suelo en pequeñas inclusiones.

Los materiales usados se muestran en la figura 1. El material arcilloso se clasifica como una arcilla de baja plasticidad (CL), con un contenido de humedad (wn) igual a 18 %; con límite líquido (LL) de 46.3 %; límite plástico (LP) de 23,8 %; índice de plasticidad (IP) igual a 22.5 %, y gravedad específica (Gs) de 2.65.

La longitud de las fibras fue de 4 cm, cortando la fibra y separándola manualmente. Se determinó dicha longitud de fibra, promediando las longitudes dadas por ^{Abou Diab et al. (2018)}, ^{Mazhoud et al. (2017)} y ^{Widianti y Diana (2020)}, entre otros autores, los cuales varían la longitud entre 1 y 10 cm, encontrando que aumenta la posibilidad de generación de planos de falla a mayor longitud; ya que, de la longitud de ésta, la resistencia a la compresión y a la tensión variarán significativamente. Además, estudios demuestran que una longitud corta aumenta la resistencia a la compresión de mezclas en mayor porcentaje, que al hacerlo con una fibra de mayor longitud (^{Millogo et al., 2014}). Para mezclar la fibra con el material arcilloso, se usó un cardador de lana manual hecho en madera con agujas de fieltro con 108 puntos por pulgada cuadrada, y así, obtener una mezcla lo más homogénea posible.

Las muestras fueron conformadas según el peso seco que requiere cada ensayo; se usó 2500 g de material arcilloso, para cada uno de los ensayos de clasificación, resistencia y resistividad, las cuales se obtuvieron de una mezcla manual entre el suelo húmedo, según la adición de agua destilada óptima en el ensayo de Proctor determinado en cada tratamiento; mientras que la fibra fue separada, desmenuzada y mezclada mediante agitación manual. La cantidad de material necesario para cada ensayo fue pasada por tamiz número 4 para cada probeta, la cual fue secada al aire libre y triturado manualmente hasta obtener la granulometría deseada. De esta manera, se reunieron tres tipos de muestras de suelo.

Determinación de las Propiedades Químicas y Mineralógicas de la Arcilla

Se hallaron las propiedades químicas de la arcilla, obteniendo un potencial de hidrógeno (pH) de 4.25; capacidad de intercambio catiónico [CIC] de 19,823 cmol/Kg; conductividad eléctrica [CE] de 0,33 dS/m; acidez intercambiable [AI] de 4,7 cmol/Kg, P disponible, 54,82 cmol/kg, relación de absorción de sodio [RAS] de 0,61y un porcentaje de sodio intercambiable [PSI] igual a 0,25.

Los difractogramas obtenidos del método de difracción de rayos X (DRX) muestran los compuestos principales de la arcilla semi-in-alterada, A_p, A_{0.5 %}, A_{0.75 %}, y arcilla con trazas azul rey intenso, determinando que los tratamientos están compuestos por cuarzo, SiO₂; caolinita, Al₂Si₂O₅(OH) ₄; anortoclasa, KAlSi₃O₈ y silicato de calcio, Ca2Na2Si₃O₉. La muestra con trazas azules es clasificada como baricita, Mg₃(PO₄)2-8H₂O, siendo este material, poco común, tanto en la muestra total de suelo utilizado para los ensayos, y en el suelo in situ.

Peso Unitario Seco Máximo (γ_dmáx) y Humedad Óptima de Compactación (w_ópt)

Los valores promedio de peso unitario seco máximo (Y_dmáx) y de humedad óptima de compactación (w_ópt), se encuentran próximos a su media para las cuatro repeticiones necesarias. El parámetro de peso unitario seco máximo (Y_dmáx) decrece en 1.09 %, para los diferentes tratamientos, con una diferencia de alrededor de 0.40 kN/m³. De igual manera, el parámetro de humedad óptima de compactación (w_ópt) disminuye 12.4 % con respecto a la muestra sin tratamiento, teniendo una variabilidad porcentual baja para ambos parámetros.

Los valores obtenidos se mantienen lineales, concentrados y homogéneos para cada uno de los tratamientos. Los grupos de datos obtenidos son diferentes significativamente entre sí, para todos los casos, afectándose el peso unitario seco máximo (Y_dmáx), ante la presencia de fibra en menor medida que la humedad óptima de compactación (w_ópt). Se establece que el peso unitario seco máximo (Y_dmáx) y la humedad óptima de compactación (w_ópt) determinados en cada una de las muestras de suelo en estado remoldeado, es superior al rango recomendado para una arcilla blanda a dura en estado natural (^{Budhu, 2000}; ^{Peck, 2016}). Se evidencia una disminución en los parámetros de Peso Unitario Seco Máximo (Y_dmáx) y Humedad óptima de Compactación (w_ópt), encontrando diferencia significativa al aumentar el porcentaje de fibra.

La diferencia que se presentó al determinar el parámetro peso unitario seco máximo (Y_dmáx) se debe al bajo porcentaje, orientación aleatoria de las fibras, y método de compactación; la variación de peso unitario seco máximo (Y_dmáx) al amasar la mezcla con algún tipo de fibra, no es igual de importante a la variación obtenida con diferentes energías de compactación. De aquí, que el bajo nivel de compactación usado, el porcentaje y orientación de las fibras, influyen en la baja variación porcentual, aunque, esto no indique diferencia significativa de este parámetro. La humedad óptima de compactación (w_ópt) obtenida para los tratamientos, tiene una sensibilidad mayor a la presencia de cáñamo, que el peso unitario seco máximo (Y_dmáx). Este comportamiento se debe directamente al volumen significativo ocupado de fibra en el cilindro, disminuyendo la cantidad de agua necesaria para remoldear la muestra.

En una arcilla de baja plasticidad tipo CL, mejorada con cemento Portland Tipo II, se hallan valores de peso unitario seco máximo (Y_dmáx), los cuales son similares a los valores encontrados para una arcilla sin tratamiento, mientras que las arcillas mejoradas con fibra de polietileno, con y sin cemento añadido, obtuvieron valores cercanos al encontrado en la arcilla A0.5 %. Por último, se observó que la arcilla tratada con fibra de todas las longitudes de estudio, sin cemento añadido, alcanzan valores cercanos a 16.90 kN/m³. La humedad óptima de compactación (w_ópt) obtenida es superior a la de una arcilla de baja plasticidad; no obstante, se lograron valores similares de humedad óptima de A0.5 %, en muestras con adición al 5 % de fibra de polietileno, de longitud de 25mm. Sin embargo, el valor de la humedad óptima de compactación (w_ópt) para la muestra A0.75 %, es significativamente inferior a la encontrada en aquellas con porcentajes de fibra de 1 % y longitudes de 25 mm.

Lo anterior se debe a la densidad de la fibra de cáñamo y de la fibra sintética. Así, a mayor adición de fibra de cáñamo, disminuye el peso unitario seco máximo (Y_dmáx) y la humedad óptima de compactación (w_ópt), de manera similar a aquella fibra mejorada con un tratamiento químico y una fibra sintética (^{Estabragh et al., 2017}, p. 22). Valores obtenidos para una mezcla de condiciones similares, muestran disminución del peso unitario seco máximo. Para muestras patrón este parámetro es menor que el hallado, aplicando el método de compactación estándar y modificado, igualmente, se encuentran valores inferiores para la arcilla tratada con diferentes proporciones de fibra de cáñamo de 4 cm de longitud. La humedad óptima de compactación (w_ópt) de la arcilla Ap, es inferior en 2 % a la humedad óptima de compactación de una arcilla de Kfar Silwan, Líbano, dado que, entre más energía de compactación, mayor será la densidad de la muestra, alcanzando valores similares al peso unitario de la muestra sin alterar (^{Abou Diab et al., 2018}, p. 11).

El peso unitario seco máximo (Y_dmáx) determinado para una caolinita tratada con cal y diferentes porcentajes de fibra de basalto y de polipropileno, decrece de 12.74 kN/m³ a 12.06 kN/m³, para una arcilla sin tratar, y el segundo, a altos porcentajes de cal. Se presenta mayor concentración de fibra de polipropileno, así, el peso unitario seco máximo (Y_dmáx) encontrado en este estudio, superó a los valores de la caolinita con doble tratamiento. Por el contrario, la humedad óptima de compactación (w_ópt), de la arcilla varía de 30 % a 38 %, correspondientes a una arcilla sin tratar y una arcilla con 9 % de cal, y 25 % de fibra de basalto y polipropileno, independientemente (^{Boz et al., 2018}, p. 122).

Resistencia al Corte en Condiciones no Drenadas

Los valores obtenidos del ensayo a la resistencia al corte no drenados, se encuentran próximos a su media para las cuatro repeticiones. La cohesión y fricción en diferentes condiciones mostraron una variabilidad porcentual baja con respecto al valor de la arcilla patrón, A_p; el esfuerzo cortante máximo (T_máx) varía entre 6.7 % y 6.9 % para tres cargas verticales (σ_n) de 95.8 kPa, 191.5 kPa y 397.2 kPa, respectivamente. Los valores obtenidos demuestran que la muestra A0.5 % tuvo el mayor esfuerzo cortante máximo (T_máx) para las tres diferentes cargas verticales; la muestra A0.50 % supera a la muestra A_p y a A0.75 %, en 21.5 kPa, ya que estas últimas tienen un esfuerzo cortante máximo (T_máx) similar^.

La cohesión (c) es similar en la muestra Ap y A0.5 %_, y disminuye en la muestra A0.75 %, variando 10 %. La cohesión (c) es altamente sensible a partir de una adición de 0.5 % de fibra, y la cohesión efectiva (c') se comporta de la misma manera que la cohesión (c) siendo mayor en A_p y A0.5 %_, variando 6 % aproximadamente, para la muestra A0.75 % con respecto a la muestra patrón, existió una variación de 8 y 9 % de la fricción (Ф) y fricción efectiva (Ф'), respectivamente, siendo mayor en la muestra A0.5 %, teniendo una fuerte relación con su alta resistencia al corte.

Se observa que los parámetros de cohesión (c) y cohesión efectiva (c') hallados para los tratamientos, tienen un comportamiento lineal, mientras que los datos se mantienen concentrados y homogéneos para los tratamientos, existiendo diferencia significativa de estos parámetros, entre tratamientos. Los datos y sus posibles cambios observados se mantienen dentro de los rangos recomendados para arcillas de baja plasticidad (^{Budhu, 2000}).

El parámetro de fricción (Ф) depende principalmente de la posición de los componentes de la muestra, así, la aleatoriedad de la distribución y orientación de fibras influye en éste; sin embargo, los datos obtenidos no exceden los valores recomendados por ^{Converse (1952)}, ^{Prinz y Strauss (2006)}, y ^{Ammar et al. (2019)}. En el caso del ángulo de fricción (Ф) y fricción efectiva (Ф'), no se encontraron diferencias significativas en los 3 tratamientos.

^{Chegenizadeh y Nikraz (2011)} determinaron que, para los parámetros de resistencia al corte, en una arcilla mejorada con fibra plástica de diferentes longitudes y proporciones, el esfuerzo cortante máximo (T_máx) para una muestra conformada a diferentes proporciones, pero con una longitud de fibra de 2 cm, es mayor para la proporción de 2 %. Por otro lado, este parámetro es menor para las mayores longitudes de 6.5 cm y 4 cm, a una proporción de 0.7 %. Así, se observa que los valores hallados por los investigadores se asemejan a los encontrados, con una longitud de 4 cm y 6.5 cm.

^{Abou Diab et al. (2018)} determinaron que la cohesión (c) y fricción (Ф) de una arcilla mejorada con cáñamo, en condiciones no drenadas, depende del método de compactación aplicado en el ensayo de Proctor modificado, cuando se desea conformar la muestra. Para muestras de control, se obtuvieron rangos de cohesión (c) de 40 kPa a 50 kPa y ángulos de fricción (Ф) de 24.2° a 26.3°, para muestras compactadas por amasado e impacto. Para muestras reforzadas con fibra de cáñamo con longitudes de 2 cm y 4 cm, y porcentajes de adición de 0.5 % a 1.5 %, se obtuvieron rangos de cohesión (c) de 68 kPa a 110 kPa y ángulos de fricción (Ф) de 25.6° a 24°. En comparación al presente estudio, los datos de cohesión y fricción son superiores debido al método de compactación y al elevado porcentaje de fibra.

^{Widianti y Diana (2020)} determinaron que la cohesión (c) para una arcilla mejorada con fibra de bonote no varía para una adición del 0.25 % y 0.5 % en comparación con la arcilla patrón, aunque la cohesión aumenta. Por otro lado, el ángulo de fricción (Ф) hallado para una arcilla mejorada con bonote es inferior a la encontrada en este estudio para A0.5 %, sin embargo, este parámetro en ambas investigaciones presenta el mismo comportamiento, siendo directamente proporcional al aumento de la fibra, encontrando un mayor valor para una arcilla mejorada con 1 % de fibra de bonote. Este comportamiento se debe a la carga vertical aplicada y la relación de palancas de los equipos de corte directo empleados en las investigaciones, además de la variación de presión intersticial, la diferencia de resistencia a la tensión de cada fibra y la longitud de fibra elegida, ya que estos factores influyen en las fuerzas intrínsecas de la muestra.

La muestra A_{0.5 %} mostró la mayor resistencia al corte, esta muestra presentó el mayor valor de cohesión efectiva (c'), ya que las fibras aumentan el ángulo de fricción y con esta distribución, la matriz conformada no es destruida. La muestra A_{0 75 %} no pierde su estructura, y se comporta de manera similar a la muestra Ap, en términos de resistencia al corte; no obstante, esta muestra también muestra valores de cohesión y fricción menores que el resto, dado que, a partir de esta adición, la matriz arcillosa pierde cohesión. Adicional a ello, las condiciones de drenaje y el consecuente aumento de presiones intersticiales influyen en este valor. La muestra A0.5 % resultó ser aquella mezcla idónea para obtener los mejores resultados en los parámetros de interés; la muestra A0.5 % obtuvo mayor resistencia al corte y la presión de poros inducida se mantuvo similar al esfuerzo cortante máximo; así, las condiciones de saturación y confinamiento varían ante la inclusión de fibras. La cohesión (c) y cohesión efectiva (c'), son altamente sensibles cuando se adiciona un porcentaje superior a 0.75 % del peso seco, es decir, los valores disminuyen cuando se aumenta el porcentaje de fibra de tal manera que el suelo fino, con condiciones de plasticidad establecidas deja de comportarse como tal. La cohesión efectiva (c') es menor que la cohesión (c). Se encontró que la fricción (Ф) y fricción efectiva (Ф') es mayor para la muestra A0.5 %.

Resistencia a la Compresión Inconfinada (qu) Resistencia al Corte (Cu) Deformación Máxima (smáx) y Módulo Elástico No Confinado (E)

La humedad hallada se mantuvo próxima a su media, presentando una variabilidad muy baja. la humedad resultante varió debido al cambio de dimensión de la probeta y al número de capas en las que se conformaron las muestras.

La resistencia a la compresión máxima (q_u) y la resistencia al corte (C_u) son parámetros lineales, concentrados y homogéneos, presentando una variabilidad baja, con una distribución no normal, para los tratamientos, siendo la muestra A0 75 % la que obtuvo mayor resistencia a la compresión inconfinada, incrementando 256.89 kPa con respecto a A_p, y en 181.89 kPa a la muestra A_{0.5 %}. Igualmente, se observó que la diferencia significativa entre los tratamientos se debe al porcentaje de fibra presente, y el nivel de compactación de la muestra. De acuerdo con los valores de resistencia a la compresión inconfinada obtenidos, corresponden a un suelo de consistencia muy firme, con (q_u) mayor a 0.38 MPa (^{Hunt, 2005}; ^{Das, 2011}; ^{Peck, 2016}).

La deformación máxima (ε_máx) varía moderadamente, presentando mayores valores para la muestra A0.5 %, la cual supera a la muestra A_p en 3.43 %, deformándose aproximadamente el doble de la muestra patrón antes de llegar a la falla. La muestra A_{0.75 %} supera a la muestra A_p en 2.96 %, sin embargo, al momento de la falla, la muestra perdió su estructura, aun presentando mayores valores de resistencia a la compresión simple (q_u) y resistencia al corte (C_u). Los valores obtenidos son lineales, concentrados y homogéneos, en cada una de las repeticiones, con diferencia significativa entre los resultados. Se observa que no hay una distribución normal entre tratamientos, debido a la orientación de fibra entre un rango que no compromete la condición de la matriz. El nivel de compactación, las dimensiones de la probeta y la humedad alteran el valor de deformación máxima (ε_máx), pero el porcentaje, orientación y la longitud de las fibras son los factores principales que interfieren en este parámetro.

El grado de rigidez del material es representado por el módulo elástico no confinado (E), en donde, los datos encontrados por el análisis experimental efectuado fueron homogéneos, centrados, con una distribución no normal y variabilidad moderada, siendo esta variable altamente sensible a la adición de fibras. La muestra A_p obtuvo mayor módulo, superando a la muestra A0.75 % en mayor medida, existiendo diferencia significativa entre los tratamientos. La condición de confinamiento del tipo de ensayo aplicado, la energía de compactación y la acumulación de fibras, factores que provocan planos de falla, cuya presencia disminuye la rigidez del material.

^{Mitchell y Houston (1970)}, ^{Hunt (2005)}, ^{Das (2011)} y ^{Peck (2016)}, clasifican los parámetros de resistencia a la compresión inconfinada de los tres tratamientos como "un suelo de consistencia muy firme y difícil de penetrar". Por otro lado, ^{Olgun (2013)} logra valores de resistencia a la compresión inconfinada de varias muestras de suelo arcilloso mejorado con fibras de polipropileno con diferentes longitudes, usando cemento y cenizas volantes como material cementante. Aunque los valores son superiores a los obtenidos dada la adición de material cementante, los resultados de los ensayos preliminares son similares a A_p, A_{0.5 %} y A_{0.75 %}, para muestras con 4 % y 8 % de cemento y 10 % y 20 % de cenizas volantes, respectivamente, mientras que las muestras mejoradas con fibra de polipropileno y curadas a los 7 y 28 días, tienen valores superiores a los logrados, teniendo en cuenta las propiedades de la fibra y el material cementante. En ambos estudios, se encontró que los componentes añadidos incrementan las fuerzas interláminares de las partículas de suelo, y como resultado, las fuerzas de cohesión, fricción aumentan (^{Cai et al., 2006}). El tipo de conformación y compactación de la muestra tiene efecto en el resultado de resistencia al corte no drenada, c_u, tal como lo definieron ^{Abou Diab et al. (2018)}, observando que este parámetro incrementa de 150 kPa en el especimen de control, hasta 195 kPa a 275 mPa para especimenes preparados por metodos de amasado e impacto correspondientemente.

^{Boz et al. (2018)} obtuvieron valores de resistencia a la compresión inconfinada (q_u) para arcilla estabilizada con tres diferentes porcentajes de cal, hallando que, para muestras de suelo estabilizadas con diferentes proporciones de fibra y con 9 % de cal, se tiene que la muestra de suelo con 0.5 % de contenido de fibra de 1.9 cm de longitud tiene un valor de compresión inconfinada (q_u) cercano a 1200 kPa, siendo este valor inferior al obtenido para la muestra A0.75 %, superando a una muestra con fibra y cal añadida.

Según Whitlow (1994), los especímenes que fueron sometidos a una carga axial se deformaron, presentando una falla tipo plástica, con una superficie de falla vertical definida para las muestras AP y A_{0.5 %}, las cuales se abultaron en la parte superior. La muestra A_{0.75 %} se abultó en la parte inferior de las muestras, en donde se concentraban mayor cantidad de fibra. Aunque la muestra A_{0.75 %} fue la más competente, la deformación presentó zonas de acumulación de fibra en la matriz, debido a la ocurrencia de superficies de falla, producto de una proporción de fibra inadecuada. Se encontró que el tratamiento A0.75 % es aquel que tiene valores de esfuerzo cortante máximo, T_máx; sin embargo, la muestra A_{0.5 %} se deforma un poco más al alcanzar su resistencia a la compresión máxima, aumentando la ductilidad de la arcilla, mientras que la fábrica de la muestra A_{0.75 %} queda arruinada después del ensayo.

De lo anterior, se establece que la muestra de suelo A_{0.5 %}, aunque no soporte cargas a compresión de la misma manera que A_{0.75 %}, no se deforma y falla en las zonas en donde se acumula la fibra, así, la muestra de suelo A 0.5 % es la más favorable. El comportamiento de la fibra en los suelos es problemático a medida que se aumenta la fibra, ya que al aumentar la proporción en la matriz arcillosa, las partículas de suelo no pueden adherirse, dado que la fibra no puede aplicarse de una manera homogénea; por el contrario, la fibra tiende a aglutinarse en las zonas arcillosas que primero se hidrataron (Abou Diad et al., 2016).

Temperatura (T°) y Resistividad Eléctrica (p15.5°c)

La temperatura obtenida aumenta un grado para cada tratamiento, obteniendo una variabilidad baja, aunque, en suelos, la variación de un grado indica cualidades del material. Los datos de la variable temperatura (T°) se muestran agrupados, homogéneos, próximos a su media y normalmente distribuidos, siendo la temperatura (T°) de A _{0.75 %} la más elevada, así, esta variable muestra diferencias significativas entre las medias. La variable temperatura (T°) es una variable altamente sensible a la adición de fibras, ya que la temperatura depende de la estructura cristalina y de la humedad de la muestra.

La resistividad eléctrica (ρ_15.5°c) presenta una variabilidad alta en sus medias, así, la variabilidad de la resistividad eléctrica de las muestras de arcilla reforzadas con fibra de cáñamo es alta. Este valor aumenta a medida que crece la cantidad de fibra; la muestra A075 % supera a la muestra A_p en 78.20 Ohm*m, y la muestra A_0.5% supera a la muestra patrón en 22.72 Ohm*m, hallándose diferencia significativa entre las medias de los tratamientos. Se observa que la resistividad eléctrica (ρ15.5°c) de la muestra A_{0.75 %} fue altamente sensible a causa de la ubicación y dirección de la fibra en la muestra, además de la humedad de compactación de la muestra. Los valores de resistividad eléctrica son bajos, debido a la energía de compactación, saturación, y la conductividad hidráulica de los minerales de arcilla. Sin embargo, se observó que la resistividad eléctrica y la temperatura aumentan ante la inclusión de fibras. El cambio de método de compactación alteró el valor de humedad óptima deseada para el ensayo de corte directo y compresión inconfinada, a causa del cambio de dimensiones del molde y el número de capas a compactar, entre Proctor estándar y modificado.

Estudios han hallado que el aumento de fibra aumenta la resistividad volumétrica de las muestras. Por lo anterior, se observa un incremento elevado en la resistividad eléctrica (P15.5°c) para la muestra con más contenido de fibra, A_{0.75 %}, triplicando el valor de resistencia del tratamiento AP (^{Naik y Mishra, 2005}).

Se ha encontrado que la resistividad eléctrica es anisotrópica, es decir, la resistividad eléctrica (ρ₁₅₅°_c) variará según la geometría y posición de la muestra y de los electrodos, aun así, los datos encontrados se encuentran en el rango para arcillas de baja plasticidad (^{Abu-Hassanein et al., 1996}). Los valores de resistividad eléctrica (ρ₁₅₅°_c) son bajos, debido a la energía de compactación, saturación, y la conductividad hidráulica del suelo ensayado. Sin embargo, se observó que la resistividad eléctrica será menor mientras el contenido de finos disminuye. Este comportamiento se debe a la estructura cristalina de la arcilla, su capacidad de retención de agua en las láminas de sílice y su superficie específica. Sin embargo, también se determinó que la resistividad eléctrica es sensible al grado de compactación que tenga el suelo: entre más denso sea el suelo, menor será la resistividad eléctrica.

Los resultados medidos con el equipo de los cuatro electrodos de Wenner, para arcillas muestran valores de resistividad eléctrica (ρ_15.5°c) inferiores a 150 Ohm*m, clasificando el horizonte como argialbol. Esta clasificación correspondería a suelos arcillosos y limoarcillosos, haciendo la equivalencia con la clasificación usada, la cual corresponde a una clasificación con fines agronómicos y de siembra (^{Pozdnyakova, 1999}; ^{Wenner, 1915}).

^{Fukue et al. (1999)} determinaron que el valor de resistividad eléctrica (ρ_15.5°c) para arcillas sin perturbar es igual a 35 hm*m, mientras que para arcillas remoldeadas, este valor disminuye a 13 Ohm*m aproximadamente. Según estos valores, se encontró que el cambio de resistividad se debe a la alteración de la microestructura de la arcilla; para arcillas sin perturbar, los valores de resistividad son mayores que los valores de resistividad encontrados en suelos remoldeados. Por esta razón, los valores obtenidos en la presente investigación son bajos en comparación con la resistividad encontrada para suelos sin alterar. Se encontró que, en diez tipos de suelos compactados tipo CL, la resistividad varió de 18 Ohm*m a 70 Ohm*m. Según este rango, se concluye que la resistividad es anisotrópica, es decir, la resistividad eléctrica variará según la geometría y posición de la muestra y de los electrodos (^{Abu-Hassanein et al., 1996}).

Propiedades Químicas de la Arcilla

Según las consideraciones generales para interpretar el análisis químico de suelos dadas por el IGAC, se encontró que el pH de 4.25 es extremadamente ácido; sin embargo, el rango de capacidad de intercambio catiónico [CIC] varía entre 3 y 15 cmol/Kg para la caolinita, así, el valor obtenido es mayor, debido a la presencia de compuestos diferentes como las partículas de sílice, entre otros (^{Peck, 2016}). El estudio químico y mineralógico corrobora la clasificación física realizada. Los estudios demuestran que se trata de una arcilla de baja plasticidad tipo caolinita, con proporciones de fracción cuarzosa y trazas de baricita en baja proporción, siendo este último compuesto, un hallazgo extraño en la matriz arcillosa.

La resistividad eléctrica se ve fuertemente afectada por la capacidad de intercambio catiónico, la cual cambia ante la presencia de agua, haciendo que los cationes y aniones intercambiables libres floten alrededor de la partícula de arcilla, permitiendo une mejor conductividad eléctrica. La conductividad eléctrica [CE] de 0.33 dS/m, se encuentra en el rango de 0 a 2 dS/ m, así, este valor es bajo. La relación de absorción de sodio [RAS] de 0.61 % y porcentaje de sodio intercambiable [PSI] de 0.25 % son bajos. Estos dos valores, al confrontarlos con la tabla de clasificación de suelos salinos, clasifican los suelos como clase N, que corresponde a suelos normales no salinos y no sódicos (^{Richards, 1954}). Los niveles de bases intercambiables son muy bajos.

El F y Al disponibles se aprecian como altos, siendo éstos los minerales comunes en los minerales de arcilla tipo caolinita. Complementario a lo anterior, se define que los suelos del macizo colombiano presentan valores de pH que oscilan entre 5 y 5.5, además, son suelos ricos en fosfatos y en aluminio activo, como consecuencia de la naturaleza alófana de la arcilla, y la naturaleza volcánica de la fracción arenosa (^{Instituto de Hidrología, 1999}).

Caracterización mineralógica del material

La mineralogía obtenida en el ensayo de difracción de rayos X (DRX) describen altos porcentajes de cuarzo y caolinita para todas las muestras. El porcentaje del compuesto de caolinita es mayor para la arcilla virgen sin compactar, que para la A075 %, dando espacio al compuesto del cuarzo para sustituir este porcentaje. La arcilla azul encontrada contiene cuarzo y baricita, compuesto conformado de magnesio y fósforo, aunque este compuesto se encuentra en la matriz de suelo en baja cantidad.

Conclusiones

La fibra de cáñamo mejora las condiciones de las muestras A_{0.5 %} y A_{0.75 %} en comparación con la muestra de control, Ap. Se evidenció que los parámetros de resistencia y resistividad de las muestras aumentaron para cada incremento de fibra; por un lado, la presencia de fibra disminuye el peso unitario seco máximo y la humedad óptima de compactación, mientras que los valores de resistencia al corte en condiciones consolidadas no drenadas y en condiciones inconfinadas aumentaron. Asimismo, la resistividad eléctrica, y la temperatura de las muestras también aumentaron, debido a la presencia de la fibra natural. La fibra de cáñamo ofrece una solución sustentable a problemas relacionados con resistencia, incluyendo a aquellos suelos que han sufrido alguna afectación o alteración en su capacidad portante.

El porcentaje de cáñamo óptimo para mejorar las condiciones de resistencia de la arcilla es de 0.5 %, usando fibras de 4 cm de longitud, ya que porcentajes altos de fibra destruyen la matriz arcillosa sin permitir la adherencia entre partículas proporciones (^{Abou Diab et al., 2018}). La muestra A0.5 resultó ser la más competente en el momento de mejorar las propiedades mecánicas de una arcilla de baja plasticidad, tipo caolinita, en esta se tuvo un mayor esfuerzo cortante máximo (T_máx). Por otro lado, este ensayo evidenció que la muestra de suelo A_{0.5 %} alcanzó mayor deformación ε_máx antes de alcanzar la falla, lo cual significa que esta mezcla tomará más tiempo en llegar a un estado límite de falla.

El tipo de fibra, diámetro, longitud, y la manera en la cual fue tratada, son propiedades que limitan el proceso de mezclado al momento de realizar las pruebas, puesto que la fibra trata de aglutinarse y acomodarse en ciertos sitios de las probetas, induciendo planos de falla, por tal motivo, es recomendable utilizar un tipo de fibra que no haya sido tratada con agentes químicos, que en este caso, fueron aplicados por la fábrica proveedora, sino que, se debe usar una fibra extraída de manera rústica, tal como lo es el enriado. Si se usa otro tipo de fibra, se recomienda el enriado como método de extracción, siempre y cuando se controle el proceso de limpieza y cepillado de la fibra.

Se recomienda realizar un análisis de sensibilidad de los parámetros de resistencia al corte en condiciones consolidadas drenadas, CD, y en condiciones consolidadas no drenadas, CU, con el fin de obtener la resistencia residual del suelo.

Las observaciones anteriormente halladas aplican específicamente para un suelo con las condiciones físicas, mecánicas y químicas anteriormente mencionadas. Cada tipo de suelo requiere una dosificación diferente, según parámetros ingenieriles encontrados en campo y en laboratorio.