Stablilization of Clay with Fly Ash and GGBS Based Geopolymer: Influence on Strength, Consolidation, and Shrinkage Characteristics

El suelo bajo nuestros pies no siempre es una base sólida e inamovible. En muchas partes del mundo, el suelo está dominado por la arcilla, un material de grano fino que se comporta como una esponja. Cuando llueve o cambian las estaciones, esta arcilla absorbe agua y se hincha, empujando hacia arriba con una fuerza significativa. Cuando el aire está seco, se contrae y se agrieta, alejándose de aquello que descansa sobre ella. Este ciclo constante de expansión y contracción es una pesadilla tanto para ingenieros como para propietarios, causando que las carreteras se deformen, los cimientos se agrieten y las estructuras se asienten de manera desigual. Para hacer que este suelo sea seguro para la construcción, los ingenieros tradicionalmente mezclan cemento u cal ordinaria. Estos aglutinantes endurecen y traban las partículas del suelo, creando una base estable. Sin embargo, la producción de estos aglutinantes tradicionales es una fuente importante de emisiones de dióxido de carbono, contribuyendo significativamente a la crisis climática global. Esto ha impulsado la búsqueda de alternativas que puedan estabilizar la tierra sin el pesado costo ambiental.

Los investigadores han dirigido su atención a los productos de desechos industriales, específicamente a la ceniza volante y la escoria granulada de alto horno. La ceniza volante es el polvo fino que queda después de que el carbón se quema en las centrales eléctricas, mientras que la escoria es un subproducto de la fabricación del hierro. Ambos materiales son ricos en los ingredientes químicos necesarios para crear una sustancia fuerte y similar a la roca cuando se mezclan con una solución alcalina específica. Este proceso, conocido como geopolimerización, convierte estos materiales de desecho en un aglutinante que puede reemplazar al cemento tradicional. Un equipo de investigadores del Instituto Indio de Tecnología de Madras y el Colegio de Ingeniería Thiagarajar se propuso probar qué tan bien estos subproductos industriales podrían domar un tipo específico de arcilla problemática encontrada en Madurai, India. Su objetivo no era solo ver si el suelo se volvía más fuerte, sino comprender cómo el tratamiento cambiaba la forma en que el suelo se asienta bajo peso y cuánto se contrae cuando se seca.

El equipo seleccionó una muestra de arcilla de una profundidad de dos metros cerca de una parada de autobús local. Este suelo fue clasificado como de compresibilidad intermedia, lo que significa que se aplasta fácilmente bajo presión, y era moderadamente expansivo, con una alta tendencia a hincharse cuando está húmedo. Para tratar este suelo, los investigadores lo mezclaron con cantidades variables de ceniza volante y escoria, creando tres concentraciones diferentes para cada material: 25%, 35% y 45% del peso seco total. Activaron estas mezclas con una solución de hidróxido de sodio y silicato de sodio, que actúa como el disparador químico para iniciar el proceso de endurecimiento. También añadieron una pequeña cantidad de un retardador químico a las mezclas de escoria para evitar que fraguaran demasiado rápido. El suelo tratado fue luego compactado en cilindros y dejado para curar durante diferentes periodos, que variaron desde cero días hasta 28 días, antes de ser sometido a la prueba.

Los resultados revelaron una historia clara de transformación. La arcilla no tratada tenía una fuerza muy baja, midiendo solo 3.63 kilogramos por centímetro cuadrado. Cuando los investigadores probaron el suelo tratado con ceniza volante, encontraron que la resistencia aumentaba a medida que el suelo curaba con el tiempo. El mejor desempeño provino de la mezcla que contenía 35% de ceniza volante, la cual alcanzó una resistencia de 17.19 kilogramos por centímetro cuadrado después de 28 días. Esto representó una mejora masiva, haciendo al suelo casi cuatro veces más fuerte que en su estado natural. Sin embargo, cuando aumentaron el contenido de ceniza volante al 45%, la resistencia en realidad disminuyó, sugiriendo que demasiado aglutinante diluyó la estructura del suelo en lugar de fortalecerla.

La historia fue ligeramente diferente con las mezclas basadas en escoria. Para la escoria, la resistencia continuó ascendiendo a medida que añadían más del material. La mayor resistencia registrada en todo el estudio provino de la mezcla con 45% de escoria, que alcanzó 18.84 kilogramos por centímetro cuadrado después de 28 días. Esto fue un aumento del 419% sobre la arcilla no tratada. Debido a que la resistencia seguía aumentando con la mayor cantidad probada, los investigadores señalaron que la cantidad ideal de escoria podría ser incluso mayor que el 45%, mientras que la ceniza volante ya había pasado su punto óptimo al 35%.

Más allá de solo hacer el suelo más duro, el tratamiento cambió drásticamente cómo se comportaba el suelo bajo presión. Cuando se colocan cargas pesadas sobre arcilla blanda, el suelo se comprime y el agua es expulsada, causando que el terreno se hunda con el tiempo. Los investigadores midieron este comportamiento y encontraron que el suelo tratado era mucho menos propenso a asentarse. La mezcla con 35% de ceniza volante redujo la tendencia del suelo a comprimirse en aproximadamente un 70%, mientras que la mezcla con 45% de escoria redujo esto en aproximadamente un 84%. Además, el suelo tratado se asentó más rápido que la arcilla no tratada, lo que significa que cualquier hundimiento restante ocurriría más rápidamente y sería una preocupación de menor largo plazo para las estructuras construidas encima.

Quizás el hallazgo más crítico para regiones propensas a la sequía y las lluvias intensas fue el cambio en la contracción. La arcilla no tratada se contrae significamente a medida que se seca, creando grietas profundas que pueden dañar los cimientos. El tratamiento de geopolímero frenó significativamente este comportamiento. La mezcla con 35% de ceniza volante redujo el volumen de contracción casi a la mitad, mientras que la mezcla con 45% de escoria lo redujo en un 63% aproximadamente. Esto significa que el suelo tratado permanecería mucho más estable durante las estaciones secas, resistiendo el agrietamiento y la hinchazón que típicamente plagan a los edificios en suelos arcillosos. Los investigadores también observaron que el suelo se volvió menos plástico, lo que significa que era menos propenso a deformarse permanentemente cuando estaba húmedo, mejorando aún más su estabilidad.

Estos hallazgos sugieren que el uso de subproductos industriales como la ceniza volante y la escoria ofrece una alternativa poderosa y de menor emisión de carbono para estabilizar suelos difíciles. El estudio identificó que el 35% de ceniza volante y el 45% de escoria eran las proporciones más efectivas dentro de los rangos probados, entregando ganancias de resistencia de casi cinco veces la original mientras reducían drásticamente los riesgos de hinchazón y contracción. Al convertir los desechos en un aglutinante de alto rendimiento, este enfoque no solo resuelve un problema geotécnico, sino que también aborda un problema ambiental, ofreciendo una forma de construir sobre suelos inestables sin la pesada huella de carbono del cemento convencional. El trabajo confirma que estos aglutinantes geopolímeros pueden transformar efectivamente la arcilla problemática en un material de cimentación confiable, listo para soportar la infraestructura del futuro.