Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran

En las regiones septentrionales de Irán, bajo la ciudad de Gorgan, se extiende una vasta superficie de un suelo peculiar conocido como loess. Para el ojo no entrenado, parece tierra ordinaria de color crema, pero para un ingeniero geotécnico, es un peligro oculto. Este suelo se forma a partir de polvo transportado por el viento que se asienta en una estructura laxa, similar a un panal de abejas. Aunque puede soportar peso cuando está seco, posee un secreto peligroso: en el momento en que se satura con agua, sus frágiles enlaces internos se disuelven y el terreno colapsa repentinamente, hundiéndose rápidamente bajo el peso de edificios y carreteras. Este fenómeno, conocido como colapsabilidad, ha causado daños estructurales significativos en la región, donde los depósitos de loess pueden alcanzar profundidades de más de 70 metros. El desafío para los ingenieros es encontrar una manera de fortalecer este suelo sin hacerlo quebradizo o costoso de tratar, asegurando que el terreno permanezca estable incluso cuando lleguen las lluvias.

Investigadores de la Universidad de Teherán y la Universidad de Qom se propusieron resolver este problema probando un material común y económico: el cemento. Su objetivo era ver si mezclar cemento en el loess de Gorgan podía transformarlo de un peligro colapsable en una base sólida. Tomaron muestras del suelo local y las mezclaron con diversas cantidades de cemento, que variaban desde nada en absoluto hasta un 9 por ciento en peso. Para comprender cómo el tiempo afecta el proceso, no solo probaron las mezclas de inmediato. En su lugar, dejaron las muestras reposar en contenedores sellados durante periodos de siete, catorce y veintiocho días, simulando el proceso de curado que ocurre en los proyectos de construcción reales. Luego sometieron las muestras endurecidas a una batería de pruebas, midiendo cuánto podían comprimirse, cuánto se hinchaban y cuánta fuerza podían soportar antes de romperse. También observaron de cerca el suelo bajo microscopios potentes y analizaron su composición química para ver qué estaba sucediendo a nivel microscópico.

Los resultados fueron sorprendentes. El loess sin tratar era extremadamente débil, con una resistencia a la compresión de solo 0,1 megapascaleses, una medida de cuánta presión puede soportar el suelo antes de fallar. Sin embargo, a medida que los investigadores añadían más cemento y permitían más tiempo para que la mezcla curara, el suelo se volvía significativamente más fuerte. La mejora más dramática ocurrió en las muestras tratadas con un 9 por ciento de cemento. Después de veintiocho días de curado, estas muestras eran 8,5 veces más fuertes que el suelo sin tratar. Los investigadores observaron que cuanto más tiempo se permitía curar al suelo, más fuerte se volvía, lo que indica que las reacciones químicas estaban uniendo continuamente las partículas del suelo a través del tiempo. Este aumento de la resistencia no era solo una cuestión de que el cemento actuara como un relleno; era el resultado de una transformación química donde el cemento reaccionaba con los minerales del suelo para crear nuevos y duraderos enlaces.

Más allá de simplemente volverse más fuerte, el suelo tratado también se volvió mucho más estable y menos propenso al peligro hundimiento que asola la región. Los investigadores midieron la tendencia del suelo a colapsar cuando está húmedo y encontraron que añadir cemento reducía drásticamente este riesgo. En las muestras sin tratar, el potencial de colapso se clasificó como moderadamente severo. Pero en las muestras con un 9 por ciento de cemento, este riesgo cayó a un nivel "leve", lo que significa que el suelo era mucho menos propenso a sufrir un asentamiento repentino. Del mismo modo, la tendencia del suelo a comprimirse bajo presión o a hincharse cuando está húmedo se redujo significativamente. Cuanto más cemento se añadía, menos se movía el suelo, creando un material que se comporta más como una roca sólida que como una tierra laxa y sensible al agua.

Para entender por qué ocurrió esta transformación, el equipo miró dentro del suelo utilizando microscopía electrónica de barrido y análisis químico. El loess sin tratar reveló una estructura caótica con poros grandes y abiertos y conexiones débiles entre las partículas, asemejándose a una pila de arena amontonada de forma laxa. En contraste, las muestras tratadas con cemento mostraron un panorama completamente diferente. Las imágenes microscópicas revelaron que el cemento había creado estructuras en forma de aguja y una sustancia gelatinosa que llenaba los espacios vacíos entre los granos del suelo. Estas nuevas formaciones, conocidas como silicato de calcio hidratado, actuaron como un pegamento, uniendo las partículas individuales en una red apretada e interconectada. Este proceso, llamado floculación, convirtió la estructura laxa y abierta en una masa densa y compacta. El análisis químico confirmó que la cantidad de calcio y otros elementos de unión había aumentado, mientras que la naturaleza laxa y dispersiva del suelo original había sido reemplazada por una estructura sólida y cohesiva.

El estudio concluye que añadir cemento es un método altamente efectivo para estabilizar el problemático loess que se encuentra en el norte de Irán. Al aumentar el contenido de cemento y permitir suficiente tiempo para que la mezcla cure, los ingenieros pueden crear un suelo que no solo es mucho más fuerte, sino también resistente al colapso repentino que ocurre cuando se introduce agua. La investigación demuestra que la adición simple de un 9 por ciento de cemento puede convertir un peligro geotécnico en una base confiable, ofreciendo una solución práctica y accesible para la construcción en áreas propensas a este tipo específico de falla del suelo. Los hallazgos sugieren que, con la mezcla adecuada y suficiente tiempo, el suelo bajo nuestros pies puede mantenerse firme.