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Evaluación de mezclas para reducir erodibilidad del suelo en vías forestales

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Evaluación de mezclas de  suelo-cemento como estrategia para reducir la erodibilidad en suelos de vías forestales

Adriana Gómez Enriquez1, Carlos Cardoso Machado2, Giovani Levi Sant'Anna3, Breno Santos Arrivabeni4,Arthur Araújo Silva5, Carla Ribeiro Machado e Portugal 6

1 Estudiante de Doctorado en Ciencia Forestal. Departamento de Ingeniería Forestal. Universidade Federal de Viçosa (UFV). E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.

Rua Papa João XXIII, 215, B2-204, Bairro Centro, Viçosa-MG. Teléfono: +55 31 994513418. Pasaporte: 66967245

 

2 Profesor Titular del Departamento de Ingeniería Forestal. Universidade Federal de Viçosa (UFV). E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.

Rua Gomes Barbosa, nº547, Bairro Centro, Viçosa-MG.  Teléfono: +55 31 3892-4431. DNI: 452.563

 

3Pos-Doctor en Ingeniería Forestal. Departamento de Ingeniería Forestal. Universidade Federal de Viçosa (UFV). E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.

Rua prefeito Moacir Dias de Andrade, 19, Bairro de Fátima, Viçosa-MG. Teléfono: +55 31 3891-5128. DNI: 722233916-72

 

4 Estudiante de Maestría en Ciencia Forestal. Departamento de Ingeniería Forestal. Universidade Federal de Viçosa (UFV). E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.. Rua Alberto Pacheco, nº 145, 202, Bairro Ramos, Viçosa-MG. Teléfono: +55 31 996878307. DNI: 2155794-ES

 

5 Estudiante de Maestría en Ciencia Forestal.  Departamento de Ingeniería Forestal. Universidade Federal de Viçosa (UFV). E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.

Av. Marechal Castelo Branco, 1160-102, Bairro Santo Antônio, Viçosa-MG. Teléfono: +55 31994072884. DNI: MG 14572068

           

6 Estudiante de Doctorado en Ciencia Forestal, Oregon State University  - OSU Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.). 2601 NE Jack London Street - Corvallis - Oregon – USA,  Teléfono: +1 541 979 8741

 

    

1.            Presentación

 

En muchos países, grandes extensiones de la red vial son vías sin pavimentar. En Brasil, de acuerdo con el Departamento Nacional de Infra-estructura e Transportes (2015), aproximadamente 80% de las vías son sin pavimentar. Estas vías son responsables por el desarrollo económico de una región; al considerar, que intervienen en el transporte de productos principalmente de actividades agropecuarias (CORREA et al., 2006).

En el sector forestal, estas vías son de gran importancia pues permite el desplazamiento de la mano de obra e insumos necesarios para la producción, implementación, protección, cosecha y transporte de productos forestales (OLIVEIRA et al., 2010). Sin embargo, estas vías en condiciones inadecuadas para transitar, provocan grandes prejuicios económicos, sociales y ambientales y están asociados generalmente a procesos erosivos, ocasionados por la concentración de escorrentía superficial.

La superficie altamente compactada de estas vías reduce la infiltración, aumenta el volumen de escorrentía, principalmente en las áreas de drenaje, causando desprendimiento de partículas del suelo, que generalmente son transportadas a los cursos de agua, ocasionando sedimentación, polución e interferencia con la fauna acuática (ZIEGLER et al., 2000, FOLTZ et al,. 2008, CORREA  y CRUZ, 2010).

Los procesos erosivos en vías sin pavimentar están asociados a factores como intensidad y duración de las lluvias, características del suelo, declividad, características constructivas, intensidad de tráfico, entre otros. (LOPES et al., 2002; MACHADO et al., 2003; FORSYTH et al., 2006; CORRÊA et al., 2007; JORDÁN E MARTÍNEZ-ZAVALA, 2008;  FU et al., 2010).

Desde el punto de vista del suelo, diversas propiedades influencian en los procesos erosivos; principalmente, aquellas que reflejan mayor o menor resistencia del suelo a la erosión. Dentro de esas propiedades, la erodibilidad y el esfuerzo cortante crítico son los principales índices del suelo que caracterizan la resistencia a la erosión (KNAPEN et al., 2007).

La erodibilidad y el esfuerzo crítico cortante son índices afectados por las propiedades físico-químicas del suelo y varían de local a local (FOLTZ el et al, 2008). El conocimiento de estos índices son una contribución importante para diferentes estudios, principalmente los relacionados en determinar la erosión basada en modelos (LAFLEN, et al, 1991). Así como, para plantear estrategias de disminución y control de erosión.

Considerando el alto costo de pavimentación de vías, se torna importante la adopción de tecnologías e alternativas que posibiliten su manutención en niveles aceptables de costo, que proporciones buenas condiciones de tráfico durante todo el año y que controlen la erosión. En este sentido, la estabilización química se presenta como una alternativa viable para proporcionar mayor resistencia mecánica al suelo y consecuentemente mayor resistencia a los procesos erosivos. Por eso, la propuesta de este trabajo es testar un aditivo comercial y analizar la influencia en los índices de resistencia mecánica del suelo.

 

2.            Objetivos del trabajo

 

2.1.       Objetivo general

Evaluar la erodibilidad y esfuerzo cortante crítico de un suelo de textura arenosa con y sin aditivo químico

2.2.       Objetivos específicos

·         Determinar la erodibilidad y esfuerzo cortante crítico de un suelo de textura arenosa

·         Determinar la erodibilidad y esfuerzo cortante crítico de un suelo de textura arenosa con estabilizante químico (Cemento).

·         Comparar las pérdidas de suelo con estabilizante y sin estabilizante

 

 

3.            Marco teórico

 

3.1.       Erosión en vías sin pavimentar

 

Uno de los principales factores que afectan la transitabilidad en vías sin pavimentar es la degradación debido a los procesos erosivos, afectando áreas marginales y provocando prejuicios económicos, sociales y ambientales (GRIEBELER et al., 2005). En áreas forestales, más del 90% de sedimento producido proviene de vías sin pavimentar, siendo el mal drenaje el principal factor (GRACE III et al., 1998).  

 El agua de escorrentía superficial puede erosionar la superficie de la faja terraplenada y contribuir para su estabilización. El principal fundamento de la red de drenaje es que esta debe interceptar, colectar y remover el agua de escorrentía subsuperficial y superficial de las vías (GARCÍA, 2001). La mayoría de los problemas de drenaje pueden ser controlados si son evitados puntos topográficos y geológicos críticos como son: Suelo limoso, curva vertical convoca, locales de infiltración natural del agua, nacientes, etc (MACHADO y SOUZA, 1990).

Factores como la construcción de vías constituye también una actividad de riesgo para la actividad forestal, pues promueve la retirada de cobertura vegetal, movimiento del suelo y compactación de la superficie, causando daños en la estructura del suelo y en el comportamiento hidrológico, tornando los suelos más susceptibles a la erosión hídrica (RAMOS-SCHARRÓN y MacDONALD, 2005; AKAY et al., 2008; JORDÁN y MARTÍNEZ-ZAVALA, 2008).

El tráfico, también es citado como un agente causador del desprendimiento de partículas, una vez que el desgaste generado en la interface neumático-superficie del suelo, provoca fragmentación de partículas gruesas en la superficie de la vía y el desprendimiento de las partículas de suelo (DUBÉ et al.,2004). En este sentido, Corrêa; Cruz (2010) destacan que el transporte de madera genera desprendimento de partículas del suelo, pues esta actividad envuelve el desplazamiento de vehículos pesados (carga de 30 a 40 toneladas) y extrapesados (Vehículos com carga superior a 40 toneladas) provocando deformaciones de la superfície de estrada y comprometiendo el sistema de drenaje.

El mantenimiento inadecuado de las vias genera también uma alta taxa de producción de sedimentos, considerando que estas atividades provocan disturbios al suelo, permitiendo que las partículas sean desprendidas más fácilmente (ZIEGELER et al. 2001). Sin embargo, Fu et al. (2010) destacan que las atividades de manutención, cuando son bien planeadas y realizadas, pueden constituir una intervención importante para el control de procesos erosivos y para mejorar las condiciones de drenaje.

Además de los factores ya mencionados, las propiedades del suelo están directamente relacionadas con la facilidad de un suelo ser más propenso a la erosión. La erodibilidad del suelo y el esfuerzo cortante crítico, son propiedades que permiten definir el grado de erosión de un suelo (MENEZE y PEJON, 2010).

De acuerdo con Knapen et al. (2007)  para determinar las pérdidas de suelo generadas por la escorrentía superficial, es importante tener una estimativa confiable de los factores relacionada a la resistencia del suelo a los procesos erosivos, siendo los principales índices que describen esta resistencia, la erodibilidad y el esfuerzo cortante crítico.

 

 

 

3.2 Erodibilidad y esfuerzo cortante crítico

 

La erodibilidad del suelo es definida como la propiedad que expresa la facilidad con que las partículas de los suelos son desprendidas por un agente erosivo (VEIGA,1988; BASTOS, 1999, LAL,1994). Es una de las características más complejas del suelo, considerando el gran número de factores físicos, químicos, biológicos y mecánicos que interviene.

Nogami e Villibor (1995), indican que la erodibilidad depende de características como granulometría, construcción mineralógica y química del suelo, de la estructura, permeabilidad, capacidad de infiltración y la cohesión entre partículas.

El esfuerzo cortante de crítico por otra parte, puede ser entendido como la fuerza máxima que puede ser aplicada al suelo sin que haya desagregación de las partículas (OLIVEIRA et al. 2009). Soares et al. (2006) abordan el concepto de esfuerzo cortante crítico como "equilibrio limite", que implica considerar el instante de ruptura, cuando las fuerzas que actúan, son iguales a la resistencia del suelo, sin tener en cuenta las deformaciones. Cuando este máximo es excedido, se dice que se rompió el suelo.

Diversas propiedades del suelo están directamente relacionadas con la erodibilidad y fuerza cortante critica, tales como la textura, humedad del suelo, estructura, la compactación, la estabilidad de agregados, la plasticidad, el contenido de materia orgánica, el contenido de óxidos de hierro y aluminio entre otros. Las diversas fuerzas de ligación mecánica, adhesivas, cohesivas y electrostáticas que actúan en la matriz del suelo y el complejo comportamientos de estas fuerzas entre las partícula consiste en una de las principales limitaciones para el completo entendimiento de la erodibilidad del suelo.

 

3.3 Aditivos químicos

 

La estabilización de suelo-cimiento consiste en la utilización de un material generado a partir de la mezcla de suelo desterronado, cemento y agua. De acuerdo con Kézdi (1979) esa mezcla una vez compactada genera un material de mayor resistencia, características favorables de deformación, resistencia al agua y temperatura, que son de grande interés en la construcción de la capa superficial, fundición y canales de drenaje de vías sin pavimentar.

La adición de pequeñas cantidades de cemento tiene la propiedad de bajar el valor del índice de plasticidad, disminuir el límite de liquidez, disminuir los cambios de volumen, además de aumentar la capacidad de soporte medio por el ensayo de resistencia a la compresión y no confinada por el valor de CBR (BAPTISTA, 1976).

Kézdi (1979 ) relata que la reacción de hidratación del cemento dentro de los poros de los suelos finos, genera la formación de un esqueleto,  donde las partículas del suelo son envueltas por esta pasta de tal forma que crean una matriz de fijación de las partículas no adheridas. La formación de este esqueleto es de fundamental importancia en la reducción de la sensibilidad a los cambios de humedad que pueden generar importantes esfuerzos de tracción y compresión significativos dentro de la masa de suelo, y también determinar el incremento de resistencia de la  mezcla provenientes del fenómeno de cementación  (FRANÇA, 2003).

Según Lima et al. (1993), cualquier tipo de suelo puede ser estabilizado con cemento, sin embargo, es la regla básica de que la cantidad de cemento empleado aumenta con el contenido de arcilla, lo que hace económicamente más favorables esta estabilización para los suelos arenosos.

Pequeñas cantidades de cemento, del orden de 1 a 2%, son suficientes para hacer que sea más viable suelo, disminuyendo su cambio de volumen y aumentar su capacidad de carga. La mezcla de suelo-cemento compactado puede ser utilizado tanto como suelos de base como de sub-base de pavimentos, lo que requiere contenidos de cemento mayor que 4%, dependiendo del tipo de suelo trabajado (SENCO, 2001).

 

4.    Aspectos metodológicos

 

4.1 Generalidades

Fueron determinadas las pérdidas de suelo, provenientes de muestras deformadas compactadas y comparadas con las pérdidas de suelo de muestras tratadas químicamente con un aditivo comercial (cemento). A partir de los datos de perdida de suelo y del esfuerzo cortante aplicado se determinó la erodibilidad y el esfuerzo cortante crítico.

Se evaluaron tres dosis del aditivo químico: 0%( testigo), 2% e 4%.  La influencia de la declividad también fue evaluada, siendo testadas tres declividades 2%, 4% e 8%. Para cada una de las variables fueron realizadas 5 repeticiones siendo realizados un total de 45 testes.

 

4.2 Suelo

El estudio fue realizado con suelo de textura arenosa, colectado en la Vila Secundino, en el campus de la universidad Federal de Viçosa (UFV) zona da mata de Minas Gerais-Brasil, provenientes de taludes. Geotécnicamente es un suelo residual joven de gnaisse con horizonte C profundo y de coloración grisácea (PEREIRA, 2005).

 

 

 

4.3 Preparación de las muestras de suelo

Una vez colectado el suelo en campo, las muestras se secaron al aire y se tamizaron. Posteriormente, fueron pesados 7kg de suelos para ser compactados, aplicar el aditivo y obtener los cuerpos de prueba. La compactación se realizó siguiendo la norma   NBR 7182/1986 aplicando una energía de compactación intermediaria (26 golpes). Una vez compactados los cuerpos de prueba, eran extraídos del cilindro, para posteriormente ser moldados en el anillo de muestreo del aparato de inderbitzen y ser realizados los ensayos.

 Los ensayos realizados con las muestras de suelo natural (0% de aditivo), eran realizados al día siguiente después de compactación. Los ensayos con aditivo (cemento 2 y 4%) fueron preparados siguiendo la norma NB 1336/90 con tiempo de cura 7 días y utilizando un cemento comercial (Portland CP-II_E32)

 

 

 

 

4.4 Determinación de las pérdidas de suelo

Las pérdidas de suelo fueron determinadas utilizando el ensayo de Inderbitzen. Esta metodología consiste en someter una muestra de suelo de área conocida sobre la acción del proceso de escorrentía superficial, donde el volumen de agua aplicado es conocido y el tiempo de aplicación es controlado, siendo colectado el suelo perdido durante este periodo de tiempo.  

Para este experimento fue utilizada una versión del ensayo de inderbitzen con rampa de orificio circular propuesto por Stephan (2010). Esta versión consiste de una rampa metálica en aluminio, con un orificio circular para fijar los cuerpos de prueba con diámetro de 144 mm e altura de 43 mm.

Una de las caras del cuerpo de prueba es posicionada tangencialmente al plano da rampa, en su extremidad inferior, expuesta a un flujo laminar controlado, ocasionando erosión en el suelo por un tiempo determinado. La rampa es apoyada en una estructura metálica, que presenta un sistema móvil en la parte superior, permitiendo la variación del ángulo de inclinación.

Las pérdidas de suelo fueron determinadas para tres declividades: 2%, 4% y 8%, siendo estas representativas de vías forestales. Para cada ensayo fue aplicado un caudal de 6L/min durante 15 minutos, siendo colectado el suelo erosionado en tres periodos (1 minuto después de aplicar el caudal de escorrentía, 5 min y 15 min).

En seguida todo el material colectado, fue transferido a capsulas metálicas para secar durante 24 horas. Después de este tiempo el suelo colectado fue pesado y tamizado, obteniendo el peso del material retenido en cada tamiz.

 

 

4.5 Calculo del esfuerzo cortante

            t  = γÿ S     Ec. 1  t=

 

Donde,

t = Esfuerzo cortante asociado a la escorrentía, Pa;

ÿ= peso específico del agua, kgf m-3;

y = profundidad de escorrentía, m; e

S = declividade de la superfície libre da agua, m m-1.

4.6 Determinación de la erodibilidad

Los valores obtenidos en cada ensayo de perdida de suelo asociados a un determinado esfuerzo cortante fueron trazados en un gráfico y, fue ajustada una regresión lineal simple al conjunto de datos. El valor de la erodibilidad corresponde al coeficiente angular de la ecuación ajustada y, el esfuerzo cortante crítico equivale al valor máximo de esfuerzo aplicado en que la perdida de suelo es cero.

 

5.    Resultados

 

5.1 Perdidas de suelo

 

Suelo sin aditivo (0% cemento)

El suelo sin aditivo presentó perdidas de suelo de hasta 1,67g cm-2. La pendiente mostró un comportamiento directamente proporcional, una vez que, a mayor pendiente, mayor pérdida de suelo.  Cuando comparados los resultados obtenidos para cada pendiente se observó que las pérdidas generadas para pendientes de 8% eran 2 veces más que para 4% (0,80 g cm-2) y 3 veces más que para 2% (0,5 g cm-2) Figura 1.

 

 

Suelo con 2% de aditivo

Las pérdidas de suelo durante el tiempo total del ensayo fueron de 0.005, 0.007 y 0.009 g.cm-2 para las pendientes de 2, 4 y 8% respectivamente. Las mayores pérdidas de suelo se obtuvieron para la mayor pendiente, presentando una relación de 1.6 veces mayor cuando comparada a la pendiente del 2% y de 1.3 veces más, cuando comparada a la de 2% (Figura 2).

  

Suelo con 4% de aditivo

 

Las pérdidas de suelo para este tratamiento fueron de 0.0058 g.cm-2 para la pendiente de 2%, 0.0065 para 4% y de  0.0079 g.cm-2 para 8%. Las mayores pérdidas de suelo se obtuvieron para la pendiente de 8%, presentando una relación de 1.3 veces mayor cuando comparada a la pendiente del 2% y de 1.2 veces más, cuando comparada a la de 2% (Figura 3).

  

 

De acuerdo con los resultados obtenidos, se observa que los suelos con aditivo presentaron menores perdidas de suelo cuando comparadas con el suelo sin aditivo, presentando disminuciones de hasta 99% en las declividades 4 y 8.

 

5.2 Erodibilidad y esfuerzo cortante crítico

Suelo sin aditivo

La erodibilidad en el suelo sin aditivo fue de 0.18 g.cm-2.min-1 Pa -1 y el esfuerzo cortante critico de 0.26 Pa (Figura 4).

 

 

Suelo con 2% de aditivo

En el tratamiento con 2% de aditivo la erodibilidad fue de 0.0005 g.cm-2min-1Pa-1. Los resultados evidenciaron una reducción de 99% en la erodibilidad cuando tratados químicamente. El esfuerzo cortante crítico fue de -0.2 Pa siendo un valor inconsistente desde el punto de vista físico, pero que puede ser explicado por el bajo valor de erodibilidad obtenido (Figura 5). 

 

Suelo con 4% de aditivo

El tratamiento con 4% de aditivo presentó un valor de erodibilidad de 0.0003 g.cm-2.min-1 Pa-1 y el esfuerzo cortante crítico de -0,66 Pa. Los resultados fueron muy cercanos a los obtenidos en relación al suelo con aditivo del 2%, evidenciando una reducción de la erodibilidad del 40% cuando comparado con el suelo  tratado con 2% de aditivo y de 99.8% cuando comparado con el tratamiento sin aditivo. Ya el esfuerzo cortante critico fue de -0.66 Pa, siendo un valor negativo, y de igual manera que al obtenido en el ensayo con 2% de aditivo, puede ser inconsistente desde el punto de vista físico, pero también puede ser explicado por el bajo valor de erodibilidad obtenido.

 

 

6.    Aportes de la investigación

Suelos arenosos tratados químicamente con cemento pueden presentar bajas perdidas de suelos, y consecuentemente valores bajas de erodibilidad cuando comparados con suelos sin tratamiento. Siendo esta una buena estrategia para el control de procesos erosivos en vías sin pavimentar.

Suelos tratados con 2 y 4% de aditivo reflejaron valores de erodibilidad muy bajos y similares. Por tanto, para definir el porcentaje de dosificación del aditivo es importante considerar otros aspectos relevantes como, costos, área, e pendiente del terreno, entre otros.

La metodología propuesta, se presenta viable para el control de erosión en vías que presenten condiciones de suelo y de terreno similares al estudiado. Sin embargo es necesario realizar más ensayos para definir padrones para su implementación.

7.            Bibliografía

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Ricardo Schmalbach R

Ricardo Schmalbach tiene como vocación el cuidado del ambiente, buscando siempre soluciones creativas e innovadoras, comprometidas con una ambiente sano. Es un Biólogo Marino con 24 años de experiencia en el control de erosión en costas y riberas. Preocupado por motivar a la acción para preservar el ambiente informa en esta página sobre los estudios y preocupaciones de los asociados a IECAIberoamerica

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