Análisis químico de un suelo colapsable en la zona de Ecatepec de Morelos, Estado de México Chemical analysis of a metastable soil in the area of Ecatepec de Morelos, State of Mexico Irvin BONOLA1, Adán BONOLA2, Marlenne GALINDO3, Samantha GARDUÑO4, Alma ONOFRE5 y Jorge TINOCO6 1Universidad 2,3,4,5,6 Escuela Autónoma Metropolitana Unidad Xochimilco, D.F., México. Superior de Ingeniería y Arquitectura, Ingeniería Civil. Instituto Politécnico Nacional Unidad Zacatenco, D.F., México. RESUMEN: Se describe la importancia de un análisis químico, de un suelo en la zona de Ecatepec de Morelos, Estado de México, para su caracterización geotécnica y su posible estabilización. Se realizó un sondeo en un pozo a cielo abierto hasta una profundidad de 2.00 m, en una zona que presenta un enriquecimiento con sales a partir de los primeros centímetros; en el cual puede ocurrir un intercambio de elementos y el agua. Con el objetivo de conocer las propiedades químicas del suelo, se realizó el análisis como lo indica la Norma Oficial Mexicana NOM-021-RECNAT-2000 determinando algunos componentes químicos que puedan intervenir en el colapso del suelo y buscar alternativas para su estabilización; la ejecución de éstas pruebas nos indican que se tiene un suelo calcáreo con características de pH básico, bajo porcentaje de materia orgánica y un intercambio catiónico que sugiere que se tiene un suelo de la familia de los aluminosilicatos. Al obtenerse estos resultados consideramos que se debe continuar con estas pruebas para confirmar la caracterización del suelo y contribuir a su estabilización mediante el mejoramiento del mismo para evitar el colapso. ABSTRACT: The importance of a chemical analysis of a soil in Ecatepec de Morelos, State of Mexico, for geotechnical characterization and possible stabilization is described. A survey was conducted in open pit to a depth of 2.00 m, in an area that has enrichment salts since the first centimeters; in which it may be an exchange of components and water. In order to know the chemical properties of the soil, the analysis was performed as indicated by the Mexican Official Standard NOM021-2000-RECNAT determining some chemical components that may be involved in the collapse of the soil and seek alternatives for stabilization; the execution of these tests indicate that there is a calcareous soil with characteristics of basic pH, low percentage of organic matter and a cation exchange suggests that soil has a family of aluminosilicates. When we consider that these results obtained should continue these tests to characterize the soil and contribute to its stabilization by improving the same to avoid collapse. 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Suelos En general, los suelos están conformados por diversas partículas, agua, materiales disueltos y gases, además de presentar diversas características como el tamaño de partícula y una diversidad de componentes que le proporcionan numerosas características. Algunos de estos componentes incluyen iones como el magnesio, calcio y potasio, entre otros, los cuales se asocian para formar compuestos que le pueden proporcionar estabilidad o características diversas al suelo. Elementos como el carbonato (calcita), sulfatos (yeso) y óxidos (especialmente los óxidos de hierro) también pueden encontrarse en el suelo. En el caso de los carbonatos y sulfatos, son elementos muy solubles y reactivos que influyen en el comportamiento del mismo (Chica, 2008). Se ha considerado por este último punto que los elementos que reaccionan en el suelo pueden modificar sus propiedades mecánicas, ocasionando que posean una menor estabilidad (Kerry, 2001). Por tal motivo, es importante estudiar las características químicas del suelo, para complementar aquellos estudios mecánicos que pueden indicar las fallas y posibles mejoras que pudieran implementarse a los suelos para su uso en la construcción. 1.2 Zeolita Diversos estudios han buscado mejorar las características del suelo para su utilizarlo en procesos constructivos. Un elemento que pudiera contribuir a modificar las características del suelo es la zeolita. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 2 Análisis químico de un suelo colapsable en la zona de Ecatepec de Morelos, Estado de México La zeolita es un aluminosilicato hidratado cristalino (arcilla) con estructura tridimensional capaz de retener y liberar agua e intercambiar iones sin modificar su estructura atómica, intercambiando iones como calcio, magnesio, potasio y amonio, fosfatos y material otro tipo de materia orgánica. Su estructura es similar al de un panal de abejas la cual está conformada de túneles interconectados que forman amplias áreas superficiales para realizar el intercambio catiónico y la adsorción de humedad. Este elemento ha sido estudiado principalmente como agente en el mejoramiento de suelos en agricultura, pero podría emplearse en otro tipo de condiciones para cambiar las características químicas del suelo. (Huerta, 2010., Tsujiguchi2014). 2 SUELOS 2.1 Caracterización La importancia del estudio del suelo antes de realizar procesos constructivos son las características físicas y químicas del suelo. En este último punto, la norma oficial mexicana NOM-021-SEMARNAT-2000 establece las pruebas que deben incluirse para el estudio, muestreo y análisis del suelo e incluyen pruebas para determinar la fertilidad, salinidad y clasificación, en donde encontramos ensayos que determinan características como el pH, humedad, porcentaje de carbono, materia orgánica, capacidad de intercambio catiónico y aniones solubles como carbonatos, bicarbonatos y cloruros, entre otros. 2.2 Materia Orgánica La materia orgánica del suelo indica la fracción orgánica que posee residuos vegetales y animales en diversos estados de descomposición, tejidos y células de organismos que viven en el suelo. La parte de materia orgánica se llama humus y en esta fracción se regulan los procesos químicos que influyen en las propiedades físicas del suelo. La materia orgánica contribuye a la liberación de elementos como nitrógeno, fósforo, azufre y otros micronutrientes para plantas, así como estabilizar la acidez del suelo, retención de cationes y mejoramiento de la infiltración del agua en el suelo. (Bornemisza, 1982). 2.3 Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) La capacidad de intercambio catiónico del suelo o sus componentes indica el número de moles de iones de carga positivos absorbidos que pueden intercambiarse por unidad de masa seca, bajo condiciones establecidas de temperatura, presión, composición de la fase líquida y la relación de masasolución. Esta característica del suelo puede indicarnos la forma en la cual muchos de los cationes que pueden intervenir en la resistencia o fertilidad del suelo, debido a que una CIC elevada nos muestra que el suelo podría ser colapsable en el caso de utilizarse para procesos constructivos o si fuera empleado para la agricultura, que sería un suelo fértil debido a los componentes que podrían proporcionarse a las plantas (Porta et al., 2003). DISEÑO DEL ESTUDIO 2.4 Zona de Estudio Se realizó un estudio de las características químicas del suelo en una zona del poniente del estado de México que de acuerdo a las unidades edafológicas se tiene clasificado como “solonchak”. De acuerdo al “Mapa de Riesgos Geológicos de la Zona Metropolitana del Valle de México” se localiza una “falla inferida” en el área de estudio, el cual a partir de los primeros centímetros de profundidad posee un enriquecimiento secundario con sales fácilmente solubles en agua. Además de esto, en el Valle de México existen variaciones del nivel de aguas friáticas debido a la explotación de agua, infiltraciones de agua de lluvia o fuentes diversas, a los periodos de secas y lluvias, por lo que se encuentran suelos no saturados y debido a estas variaciones del nivel friático y las sales contenidas, el suelo puede presentar asentamientos bruscos causados por el colapso de la estructura del suelo, debido a la disolución de las sales presentes en el agua. Por tal motivo, el suelo puede humedecerse localmente y esto ocasiona que el asentamiento sea diferente de un punto a otro, produciendo con ello un agrietamiento de las estructuras debido a los componentes presentes en el suelo. 2.5 Características del suelo El sitio de estudio se localiza en la colonia del Valle de Santiago, Ecatepec de Morelos, México. El municipio forma parte del área metropolitana de la ciudad de México y se considera parte de la denominada zona de lago. Se realizó como método de exploración un pozo a cielo abierto; partiendo de que se producen asentamiento diferenciales debido a la fluctuación de la humedad del suelo en los estratos superficiales; realizado por medios manuales hasta profundidad de 2.20 metros, en el cual se encontraron tres estratos descritos y clasificados visualmente y al tacto, además de un nivel de aguas friáticas a una profundidad de 1.27 metros. ANÁLISIS QUÍMICO 2.6 Análisis químico del suelo y Zeolita El análisis químico del suelo se realizó en la zona de estudio debido a que tiene un comportamiento donde se presumió que ocurre un intercambio de SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. (solamente escribir primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre con punto et al. cationes entre el agua y las partículas adsorbidas por las partículas minerales de éste; algunas veces en reacción rápida con los cationes intercambiables más usuales como el sodio, potasio, calcio, protones libres y amoniaco. Las pruebas realizadas para este proyecto se establecieron con la intención de conocer las propiedades químicas del suelo, específicamente de elementos que contribuyen a la pérdida en la estructura y ruptura del mismo, produciendo posteriormente una compresión y falla. Se determinaron: el potencial de hidrógeno (pH), el contenido de materia orgánica/% M.O.), la capacidad de intercambio catiónico (CIC) y de los aniones solubles. Todas estas pruebas publicadas en la NOM021.SEMARNAT-2000, que establece las especificaciones de clasificación de sueños, su estudio, muestreo y análisis en el ámbito correspondiente. Estas pruebas también se realizaron a la zeolita con el objetivo de determinar sus características y definir si pudieran combinarse con el suelo que se estaba analizando con el objetivo de mejorarlo para evitar su colapso. 2.7 Resultados A continuación, en la tabla 1 y 2 se muestran los resultados de las pruebas realizadas como lo indica la NOM-021.SEMARNAT-2000 al suelo y zeolita que fueron seleccionados para el estudio: Tabla 1. Características del suelo y zeolita ____________________________________________________ _ Profundidad pH Característica ____________________________________________________ _ 0.52 8.05 Medianamente alcalino 1.57 7.24 Neutro 2.04 8.35 Medianamente alcalino Zeolita 8.45 Medianamente alcalina ____________________________________________________ _ Tabla 2. Determinación de propiedades químicas del suelo y zeolita natural en el laboratorio. ____________________________________________________ _ Profundidad %C %M.O CIC CO32HCO2Cl____________________________________________________ _ 0.52 1.37 2.36 25.7 1.25 5.44 1.64 1.57 2.90 5.00 24.6 ------2.04 3.48 5.99 24.3 0.50 1.19 1.15 Zeolita 2.82 4.86 34.4 0.50 0.69 1.12 ____________________________________________________ _ Las características del estrato localizado a profundidad de 0.30 a 1.57 m se indican que se encuentra en estado no saturado y el localizado entre 1.57 a 2.20 m se encuentra en condiciones saturadas y sumergidas, ambos reaccionando con HCl (ácido clorhídrico), lo cual nos indica la presencia de carbonatos que pueden interactuar con las fluctuaciones del nivel de aguas friáticas. Los resultados de las pruebas indican un suelo calcáreo con características de pH básico, con poca cantidad de materia orgánica (menor al 4%), lo que demuestra que son suelos volcánicos, así como un 3 intercambio catiónico medio para el suelo que podría mostrar que el suelo se encuentra en el grupo de las cloritas. Por el contrario, la zeolita muestra un elevado intercambio catiónico. 2.8 Discusión de Resultados Se ha descubierto que la retención de nutrientes del suelo y por ende sus características provienen de la cantidad de cargas negativas por unidad de superficie que posea la fracción sólida del mismo o Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC), ya que una elevada CIC indica una mayor retención y disponibilidad de iones para plantas y menor lixivación de los iones. (Huerta, 2010). Espinosa y colaboradores en un estudio donde aplicaron zeolita mezclada con otros componentes orgánicos obtuvieron como resultado un mayor rendimiento de la producción de frijol, así como del contenido de P2O5, K2O, materia orgánica y valores de pH del suelo (Espinosa et al., 2011). Ensayos realizados con adición de zeolita a la urea como fertilizante nitrogenado mostraron una reducción en la pérdida de este elemento y un incremento en la acumulación de nitrógeno en las plantas al compararse con los tratamientos en donde solo se utilizó urea (Huerta 2010). La zeolita natural es conocida como un mineral que tiene la capacidad de retener agua o bien, no perderla rápidamente, por lo cual, se considera en ocasiones un posible material para el mejoramiento de suelo, evitando de esta forma la formación de grietas por tensión interna existente entre partículas y partículas. Ocasionalmente, se ha postulado a la zeolita como un material que podría utilizarse para disminuir el cambio brusco volumétrico del suelo, teniendo la oportunidad de generar una estructura sólida antes de perder el contenido de humedad inicial. Sin embargo, muchas de las características de la zeolita que fueron observadas en este estudio coinciden con lo revisado en la bibliografía en donde la aplicación principal de la zeolita ha sido en la agricultura y mejoramiento de suelo para el crecimiento de plantas. 3 CONCLUSIONES En este proyecto se determinaron ciertas características del suelo y la zeolita para definir si pudieran combinarse para el mejoramiento del suelo y con ello contribuir a procesos constructivos. Sin embargo, pese a que la zeolita equilibra el pH al evitar la dispersión de iones ácidos y atrae metales como mercurio, plomo, cadmio y arsénico, entre otros, contribuye a evitar el intercambio de cationes como el calcio, sodio, magnesio y fósforo, se deben realizar más estudios para definir si pudiera emplearse en combinación con diversos suelos para mejoramiento de los mismos y evitar su colapso. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 4 Análisis químico de un suelo colapsable en la zona de Ecatepec de Morelos, Estado de México Parece que la información recabada de diversos autores indican que la zeolita ha sido utilizada principalmente para el mejoramiento de los suelos en la agricultura, así que tendrían que realizarse otro tipo de estudios o realizar combinaciones con diversas cantidades de zeolita y otros elementos que pudieran reducir el intercambio catiónico y la pérdida de agua para evitar el colapso del suelo y con esto contribuir a su mejoramiento. of Its Cation Exchange Capacity”. J. Am. Ceram. Soc., Vol. 97 (1): 114-119. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al M. en I. Ricardo Rodríguez Segura, Ing. Civil Eloisa Cruz Domínguez e Ing. Bioquímico Esmirna Betanzo Velasco por su valiosa colaboración y asesoría en el presente trabajo. Asimismo, a la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura (ESIA Zacatenco) por permitirnos trabajar en las instalaciones del Laboratorio de Mecánica de Suelos y el Laboratorio de Ingeniería Sanitaria. REFERENCIAS Bornemisza E. (1982). Introducción a la química de suelos. Universidad de Costa Rica, San José Costa Rica. Secretaria General de la Organización de los Estados Unidos Americanos. Programa Regional de Desarrollo Científico y Tecnológico, Monografía 25: 21-47. Espinosa W., Vera M. y Váldes N. (2011). “Efecto de la aplicación de zeolita mezclada con estiércol vacuno sobre el rendimiento en grano de frijol común y las propiedades químicas del suelo”, Centro agrícola, 38, Vol. 2: 73-75. Huerta H. (2010). “Determinación de propiedades físicas y químicas de suelos con mercurio en la región de San Joaquín Querétaro y su relación con el crecimiento bacteriano”. Tesis de licenciatura en Biología. Universidad Autónoma del Estado de Querétaro, México. Kerry R.(2001). “Geotechnical and geoenvironmental engineering handbook”. Tomo 2. Canada. Mapa de Riesgos Geológicos de la Zona Metropolitana del Valle de México. (2000) Unidad de Estudios Tecnológicos, Gobierno del Distrito Federal, Oficialía Mayor. Norma Oficial Mexicana: NOM-021-SEMARNAT2000. Especificaciones de fertilidad, salinidad y clasificación de suelos, estudio, muestreo y análisis. Porta J., López M. y Laburu R. (2003). “Edafología para la agricultura y el medio ambiente”, 3ª edición, España. Editorial Mundi-prensa. Tsujiguchi M., Kobashi T., Utsumi Y., Kakimori N. y Nakahira A. (2014). “Syntesis of Zeolite a from aluminoborosilicate Glass Used in Glass Substrates of Liquid Crystal Display and Evaluation SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.