¿Qué es la Arcilla Expandida Arlita®?
Arcilla expandida Arlita® para geotecnia: rellenos ligeros, drenajes y estabilidad de suelos
La arcilla expandida, comercializada como Arlita®, es un árido ligero empleado en soluciones geotécnicas por su baja densidad y alta resistencia. A continuación , detallamos sus especificaciones básicas para su aplicación en obra.
En este apartado, además, encontrará información sobre el control de calidad de Arlita® en obra y como se suministra en obra. Por último, especificaremos sus propiedades técnicas donde se detallan los ensayos realizados para confirmar propiedades como granulometría, densidad y absorción de agua. Además, se supervisa la correcta colocación y compactación del material, garantizando su desempeño óptimo en aplicaciones geotécnicas.
1. Dimensiones y granulometría de la arcilla expandida Arlita®
Las fábricas de Leca®, producen diversos tipos de Arlita® en sus distintos centros de producción a lo largo de toda Europa, no obstante para las aplicaciones geotécnicas recomienda una granulometría de 10/20 mm. En los siguientes puntos nos centraremos en el material producido en la fábrica de Portugal que suministra a Arlita® al mercado Español.
La Arlita® 10/20 tiene como característica granulométrica un diámetro medio D50 de aproximadamente 13 mm. Al tratarse de un material “grueso” en lo que respecta a la granulometría, presenta una elevada capacidad drenante, respecto a otros suelos granulares.
Esta característica se denomina coeficiente de permeabilidad hidráulica y puede variar en función de la compacidad (que es variable en función de la puesta en obra), disminuyendo a medida que éste aumenta, siendo su valor mínimo de 10-2 m/s. Su número de huecos libres o de permeabilidad lo abordaremos más adelante.
De la curva granulométrica de la Figura 1 podemos retirar los diámetros correspondientes al 60% y al 10%, presentando un D60=14 mm y un D10=10 mm, obteniendo un coeficiente de uniformidad Cu=D60/D10=1.4, siendo un valor de granulometría uniforme y un indicador del carácter drenante del material.
2. Porosidad, espacios vacíos y estructura interna del material
Igual que el resto de suelos, Arlita® aplicada a rellenos, es un medio polifásicos, es decir, presentan una fase sólida, una fase líquida (agua absorbida o externa a las partículas) y una fase gaseosa (huecos vacíos). Sin embargo, la fase gaseosa en la Arlita® es más compleja que en otros suelos tales como arenas o áridos triturados en los que tiene mayor relevancia el volumen de los huecos vacíos exteriores que los de sus partículas constituyentes.
En Arlita® la fase gaseosa está constituida conforme indica en la Tabla 1.
En medios granulares, la cuantificación de los huecos vacíos en cuanto al volumen del material puede hacerse según dos índices:
- Índice de huecos vacíos e que es la razón entre volumen de huecos vacíos exteriores a las partículas y el volumen ocupado por la fase sólida.
- Porosidad n que es la razón entre el volumen de huecos vacíos exteriores y el volumen total ocupado por las tres fases.
Los índices e y n se relacionan entre sí mediante las expresiones:
Llamaremos ne a la porosidad exterior de Arlita®, presentando un valor de 0,33 y que corresponde a un valor de ee=0,5. La Figura 2 representa el espacio ocupado por estos huecos vacíos respecto al volumen total.
Es este volumen de huecos vacíos externos a los granos el que disminuye bajo el efecto de la operación de compactación. En cuanto a los huecos vacíos interiores de los granos, el volumen que ocupan frente a 1 m del árido está representado en la Figura 3.
Por tanto, en 1 m3 de Arlita® 10/20, en media, los huecos vacíos están indicados en el siguiente cuadro:
Tras entender el tamaño de los huecos vacíos, es sencillo llegar a la conclusión que la ligereza de Arlita® se basa en esta característica. La influencia del agua en su peso a considerar en la determinación de acciones para el dimensionamiento, lo consideraremos en puntos sucesivos.
3. Densidad aparente y real de la arcilla expandida
Uno de los parámetros que hacen más particular a la Arlita® es su densidad en los distintos estados (granel, compactado, en servicio, etc). Hay que tener en cuenta que la Arlita® en función de la granulometría con la que estemos trabajando presentará unas características diferentes y por tanto debemos considerar para cada caso el producto que estamos usando.
Este manual se centrará en el producto más habitual para aplicaciones en infraestructuras y geotecnia que es la Arlita® 10/20, con una densidad aparente seca a pie de obra de aproximadamente 275 kg/ m3.
Para su correcta aplicación y para alcanzar sus máximas prestaciones, el material a granel se debe someter a una compactación de baja energía hasta un valor del 10% del total del volumen (la justificación de este valor la encontraremos en capítulos sucesivos). Tras esta compactación la densidad en seco en el lugar se incrementa habitualmente hasta aproximadamente ~300 kg/m3.
Al evaluar la densidad real de Arlita® colocada en el proyecto, el ingeniero deberá tener en cuenta el volumen de agua absorbida, el agua en la superficie de las partículas y el agua de poro intersticial presente en el árido en su ubicación en el proyecto específico.
Las siguientes propiedades del material influyen en la densidad alcanzada en la estructura agregada ligera:
- Densidad aparente en seco de gránulos
- Cantidad de agua absorbida
- Porosidad superficial de gránulos
- Grano medio de gránulos
- Condiciones de drenaje, y
- Agua subterránea y nivel de agua en la estructura de Arlita®.
4. Propiedades físicas relacionadas con el contenido de humedad
Uno de los datos más importantes para la correcta caracterización de un árido ligero en condiciones de puesta en obra es conocer adecuadamente su variación de densidad respecto a las condiciones en estado seco. La densidad de Arlita® 10/20 varía en función de cuánta agua absorbe.
Tras una inmersión durante 24 h, el agua absorbida corresponde al 38% de su peso inicial en estado suelto, sin embargo, para duplicar esta cantidad de agua, es necesario que pasen tres meses. Para conseguir la plena saturación que representa un contenido de 130%, apenas se consigue en condiciones de laboratorio (inmersión total de la muestra y forzando a llenar huecos vacíos con bomba de vacío) que son imposibles de alcanzar en condiciones de puesta en obra. Por tanto, el peso volumétrico para considerar como fuerzas ejercidas en rellenos de Arlita® 10/20 debe de ser determinado en función de:
Duración eventual del tiempo en inmersión. Condiciones de drenaje de la interfase entre el relleno aligerado y los elementos constituyentes de las formaciones geológicas confinantes.
Para situaciones típicas y con buenas condiciones de drenaje y absorción de agua no alcanzará el valor correspondiente a 24 h de inmersión, pudiendo calcular la carga para predimensionado de la siguiente manera:
Siendo:
- 2,7 kN/m3 la densidad en seco.
- 38% de agua absorbida.
- 10% de aumento de peso por compactación.
- 4 kN/m3 densidad a considerar para predimensionado.
En situaciones en las cuales el relleno esté frecuentemente bajo el nivel freático, otros valores de densidad deben de ser utilizados. Para predimensionado en estas condiciones podremos considerar un valor medio de densidad de 5 kN/m3.
Otra forma de tratar de manera separada la densidad aparente seca de Arlita® 10/20 y el agua absorbida, es usando el valor de 335 kN/m3 (probabilidad del 95% de estar por debajo de este valor) y para una densidad de agua en interior de los granos del 38% (correspondiente a 24 h de inmersión) de este valor o del valor medio, u otro porcentaje, si el material llega a estar sumergido por períodos de tiempo más largos.
Sobre la absorción de agua en referencia al ascenso capilar podemos afirmar que es muy pequeña. Para un relleno de Arlita® que se encuentra parcialmente inmerso en agua y si tras algunos meses en estas condiciones el contenido de humedad ronda valores del orden del 80% en la parte sumergida, la franja de ascenso capilar a lo largo de la cual la humedad va descendiendo progresivamente hasta alcanzar valores correspondientes al de la humedad atmosférica es de menos de 30 cm de espesor.
Así, en términos de aumento de densidad, la importancia de la franja capilar no tiene ningún valor representativo, bastando considerar a efectos de pre-dimensionamiento que el nivel freático se encuentra 20 cm por encima del nivel efectivo para tener en cuenta este efecto de capilaridad en los cálculos.
Los valores de densidades han sido obtenidos como valores medios en estado seco, pudiendo ser tomados como valores característicos, ya que las variaciones de densidades en seco y de absorción de agua se dan en sentidos opuestos. Es decir, los lotes con densidades más altas presentan volúmenes de vacíos más reducidos, por lo que también la absorción de agua disminuye.
Las acciones que resultan del aumento de densidad del relleno ligero (empujes en el trasdós de estribos y muros, tensiones verticales sobre túneles, etc) son en general desfavorables.
Aunque los pesos propios de los materiales originan acciones del tipo permanente, el hecho de utilizar un enfoque que considera para la determinación de la acción el peso propio de Arlita® más el peso del agua absorbida por los granos y el factor de ser variable la cantidad de agua absorbida se llevan a aconsejar la utilización, en el dimensionamiento de coeficientes parciales de seguridad de 1,5 o 1,3 conforme se trate respectivamente del caso B o C del Eurocódigo7.
4.1. Capilaridad y absorción de agua
El aumento de la capilaridad en Arlita® depende de la distribución del tamaño de grano, el contenido de finos, la densidad y la porosidad de las partículas.
El aumento del tamaño del grano y la reducción de la densidad conducen al aumento del tamaño de los poros y a la posterior desintegración de las fuerzas capilares, como se observa comúnmente en los materiales naturales de la tierra.
4.2. Conductividad hidráulica y permeabilidad al vapor de agua
Generalmente, la permeabilidad de Arlita®, como la de los materiales naturales del suelo, depende de su distribución de tamaño de grano. Debido a que la gradación de Arlita® es la misma que la de la grava natural, presenta una alta permeabilidad del orden de 10-3-10-1 m / s. Debido a esta calidad, Arlita® se aplica en capas de drenaje y bloqueo de agua capilar.
Arlita® proporciona un coeficiente de permeabilidad al vapor superior a 7x10-6 m2/s en comparación con la grava de drenaje, cuyo valor correspondiente es de 4x10-6 m2/s. Igualmente con otros materiales similares, la capacidad de Arlita® para conducir el vapor depende considerablemente del contenido de agua inherente del producto y a la posterior desintegración de las fuerzas capilares, como se observa comúnmente en los materiales naturales de la tierra.
4.3. Contenido de humedad total y humedad de equilibrio
Arlita® según sale del horno de producción está completamente seco y su saturación es necesaria para mitigar el polvo. El agua libre puede aparecer en los poros de los granos o puede condensarse en su superficie. Además, el agua puede ser absorbida por los poros internos de los gránulos.
La distribución del tamaño de poro y la superficie específica de los granos tiene un impacto
significativo en el contenido de humedad de Arlita®. En general, la superficie específica del material compuesto de granos más pequeños es menor debido a la sinterización de la superficie que surge del proceso de cocción.
Por el contrario, la superficie específica de un producto de grano fino producido por trituración es mayor. Al mismo tiempo, el volumen de los poros internos es bastante sustancial. Por lo tanto, los gránulos pueden absorber una cantidad significativa de agua. Al estar en contacto con el agua, Arlita® puede absorber agua equivalente al 80% del peso del producto seco.
La cantidad de agua absorbida no afecta las propiedades mecánicas de Arlita®, pero afecta significativamente su conductividad térmica.
Cuando la temperatura ambiente es +20 ° C, el contenido de humedad de equilibrio (EMC) de Arlita® es inferior al 0,2%. El contenido de humedad de equilibrio significa el contenido de humedad natural a largo plazo del material con respecto a las condiciones prevalecientes.
Para una humedad relativa igual al 100%, el contenido de humedad de equilibrio higroscópico es de 0,5 - 0,6% en peso, lo que corresponde a 1,5 kg por 1 m3 del producto. En otras palabras, para evitar un 100% de humedad relativa del aire (HR) alrededor de los granos, la cantidad máxima de agua no debe superar el 0,5% del peso del material (contenido de agua 1,5 kg / m3).
El contenido de humedad de equilibrio higroscópico del material del suelo con la misma composición de grano es de 0,5 - 1% del peso, o de 10 - 20 kg/m3 para HR = 100%. Por contenido de humedad higroscópico se entenderá la cantidad de agua absorbida por un material poroso de la atmósfera en una cierta humedad relativa.
4.4. Conductividad térmica y capacidad de aislamiento
La conductividad térmica de Arlita® está determinada por varias propiedades del material, incluyendo su densidad aparente, densidad específica de partículas, tamaño de grano, contenido de agua y temperatura.
El aumento del contenido de agua da lugar al crecimiento de la conductividad térmica. La conductividad térmica de Arlita® 10/20 con el contenido de agua cambiante varía entre 0,11 - 0,20 W / mK; Consulte la Tabla 4 Adjunta.
Para fines de dimensionado, se aplicará el valor igual a 0,17 W / mK (el contenido de agua es aproximadamente el 30% del peso).
5. Propiedades químicas y resistencia de la arcilla expandida
5.1. Solubilidad, pH y comportamiento químico
Arlita® es un producto cerámico inorgánico, completamente inerte a otros productos. Como material cerámico es capaz de resistir la acción de cualquier producto químico durante su puesta en servicio en infraestructuras o durante la vida de la estructura, incluyendo ácidos, sales, álcalis y sustancias orgánicas.
Arlita® es ligeramente alcalino con un valor de pH igual a aprox. 9 - 10. El valor del pH del producto final varía con el tiempo dependiendo de varios factores, incluyendo la calidad y la fuente de la arcilla cruda utilizada en el proceso de fabricación.
El producto final contiene la misma composición química que la de la arcilla cruda utilizada en la producción. En el proceso de fabricación los compuestos metálicos reaccionan y se combinan generando en óxidos.
Arlita® no libera sustancias nocivas en el ambiente circundante, y basado en las características de solubilidad es similar a los materiales convencionales del suelo. La solubilidad medida y los valores de concentración química no revelan ningún riesgo para la salud o el medio ambiente.
5.2. Resistencia a la corrosión en medios agresivos
Cuando se utiliza como material de relleno alrededor de materiales enterrados de acero y plástico, Arlita® muestra un rendimiento equivalente al de un suelo permeable al agua, sin sustancias orgánicas u otras impurezas.
Normalmente, el riesgo de corrosión debido a Arlita® es bajo, sin embargo, el ingeniero responsable del diseño debe verificar que las aguas subterráneas en el área no sean agresivas en ningún caso.
Arlita® se comporta de forma similar al limo en términos de su comportamiento de conductividad eléctrica. No se observa que las sustancias nocivas o corrosivas se filtren de los materiales Arlita®.
La concentración de cloruros es inferior al 0,01%, y la concentración de azufre es inferior al 0,02%. Los valores de solubilidad y concentración verificados no causan corrosión ni su progreso o evolución. En condiciones secas, el avance de la corrosión en la capa Arlita® es extremadamente lenta.
La Arlita® húmeda, debido a la forma de los granos, produce puntos de oxidación en una superficie de una estructura de acero. El contenido de oxígeno y agua de estos puntos se desvía del ambiente circundante, lo que puede dar como resultado un aspecto de corrosión local. La activación del proceso de corrosión puede evitarse bloqueando la penetración de humedad en la estructura de Arlita® mediante el uso de geotextiles impermeables.
Con el fin de aumentar la vida útil de una tubería de acero y otros equipos similares rodeados por Arlita® o como con otros suelos convencionales, se recomienda la protección contra la corrosión que impida el contacto entre el material grueso y la superficie de acero, mediante ánodos de sacrificio u otros procedimientos.
Para fines de protección contra la corrosión, se utilizarán películas de plástico o revestimiento adecuado (pintura, aspersión de betún, etc.) de acuerdo con las instrucciones específicas del fabricante. Se observa, en cualquier caso, que el enterramiento de acero no protegido en suelos granulares en presencia de humedad resulta similar en corrosión a materiales naturales, en cualquier caso, y por lo tanto es aconsejable la protección en todas las circunstancias.
5.3. Estabilidad y resistencia química en aplicaciones técnicas
Arlita® presenta una fuerte resistencia química a diversos combustibles y a la sal usada para facilitar el deshielo así como para otras sustancias químicas relacionadas con el tráfico.
También es totalmente estable en ciclos de congelación y descongelación. En condiciones normales de frio no sufre daños ni cambios en sus propiedades durante la congelación ni muestra reducción de durabilidad o de propiedades mecánicas. Debido a su capacidad para soportar altas temperaturas, Arlita® pertenece a la clase de resistencia al fuego "A1 - incombustible".
Usos de la Arcilla Expandida Arlita®
La arcilla expandida Arlita® es un árido ligero utilizado en construcción, obra civil y edificación por su baja densidad, alta resistencia y capacidad de aislamiento térmico y acústico, lo que la convierte en una solución eficiente para aligerar estructuras, mejorar el aislamiento y favorecer el drenaje.
Gracias a su versatilidad, se emplea en rellenos ligeros, hormigón ligero, aislamiento de suelos, cubiertas y muros, así como en sistemas de drenaje y gestión del agua, contribuyendo a la durabilidad y eficiencia de los proyectos. Además, su uso se extiende a infraestructuras, edificación y soluciones sostenibles, donde mejora la estabilidad del terreno y reduce cargas estructurales.
