ESTABILIZACIÓN DE SUELOS GRANULARES NO COHESIVOS DE LAMBAYEQUE APLICANDO BACTERIAS CALCIFICANTES

STABILIZATION OF LAMBAYEQUE NON-COHESIVE GRANULAR SOILS APPLYING CALCIFYING BACTERIA

Omar Coronado Zuloeta[1]

Recepción: 24 de septiembre 2019

Aprobación:  28 de diciembre 2019

DOI: https://doi.org/10.26495/tzh.v12i1.1250

Resumen

Los suelos granulares no cohesivos de Lambayeque presentan características físicas y mecánicas, que dificultan los procesos de diseño y construcción de las diversas infraestructuras que se ejecutan sobre ella, es por tal motivo que aplicando bacterias calcificantes se buscó mejorar sus propiedades con el fin de estabilizarlo. Para dicho proceso se utilizó el método inductivo aplicando la experimentación y conocimientos en biotecnología, utilizando catorce muestras de suelos del tipo SP extraídas alrededor de todo el departamento de Lambayeque y las que fueron sometidas a diversas pruebas en estado natural y aplicando bacterias calcificantes que permitieron evaluar los resultados obtenidos. Los parámetros que garantizan la estabilización del suelo son: disminuir los espacios vacíos, la permeabilidad y el aumento de la cohesión, que se lograron debido a la precipitación de Carbonato de Calcio producto de la acción de las bacterias Calcificantes en el medio donde se inocularon aumentando su presencia de 0.32 a 5.44% como valor máximo en las muestras de la provincia de Chiclayo, y la alcalinidad del suelo aumento en un rango de 3.85 a 9.37%. Los valores obtenidos en peso específico relativo aumento de 9.5 a 13.5%, que indican la disminución de los espacios vacíos, de igual forma la permeabilidad manifiesta una disminución de 9.5 a 22.7% y además la cohesión aumento de 0.074 a 0.1703 y de 0.0022 a 0.1632. La adición de bacterias Calcificantes efectivamente mejoran las propiedades físicas y mecánicas asegurando la estabilidad de los suelos granulares no cohesivos en la región Lambayeque.

Palabras clave: Bacterias Calcificantes, Biotecnología, carbonato de calcio, estabilización y suelos granulares

Abstract

The non-cohesive granular soils of Lambayeque have physical and mechanical characteristics that hinder the design and construction processes of the various infrastructures that run on it, which is why applying Calcifying Bacteria sought to improve their properties in order to stabilize it. For this process the inductive method was used applying the experimentation and knowledge in biotechnology, using fourteen samples of SP-type soils extracted around the entire department of Lambayeque and those that were subjected to various tests in the natural state and applying Calcifying bacteria that allowed to evaluate The results obtained. The parameters that guarantee the stabilization of the soil are: to reduce the empty spaces, the permeability and the increase of the cohesion, which was achieved due to the precipitation of Calcium Carbonate product of the action of the Calcifying bacteria in the medium where they were inoculated increasing its presence from 0.32 to 5.44% as a maximum value in the samples of the province of Chiclayo, and the alkalinity of the soil increased in a range of 3.85 to 9.37%. The values ​​obtained in relative specific weight increase from 9.5 to 13.5%, which indicate the decrease of the empty spaces, likewise the permeability manifests a decrease of 9.5 to 22.7% and also the cohesion increased from 0.074 to 0.1703 and from 0.0022 to 0.1632. The addition of calcifying bacteria effectively improves the physical and mechanical properties ensuring the stability of the non-cohesive granular soils in the Lambayeque region.

Keywords:  Calcifying Bacteria, Biotechnology, calcium carbonate, stabilization and granular soils

1.    Introducción

Los diversos estudios relacionados a la interacción suelo – estructura, han buscado mejorar las propiedades físicas y mecánicas del suelo, siendo la estabilización un proceso muy utilizado para lograrlo, es por ello que la presente investigación tuvo como objetivo principal estabilizar el suelo del tipo granular no cohesivo (SP) aplicando bacterias calcificantes cuya característica principal es precipitar carbonato de calcio en el medio donde se aplique teniendo como propósito disminuir los espacios vacíos, la permeabilidad y aumentar la capacidad de soporte, características primordiales en la estabilización de los suelos, cuyo alcance fue del tipo explicativo debido a que se estableció las causas de los sucesos o fenómenos que se estudiaron.

Cabe resaltar que dentro los procesos aplicados hemos utilizado conocimientos relacionados a la biotecnología que garantizan una tecnología limpia y amigable con el medio ambiente, además de solucionar un problema social en el uso de suelos en la región Lambayeque justificando la realización del presente trabajo desde el punto de vista tecnológico, científico, ambiental, etc.

Entre los estudios realizados que se tomaron como referencia encontramos Alberto F.R. (2006) estabilización de suelos con biocemento, que nos indica que hay una relación entre el comportamiento de la bacteria y la rigidez que toma el suelo durante el proceso de estudio, además la biomineralización aplicada a procesos Erosivos superficiales, estimuló la producción de precipitación carbonato de calcio por parte de las bacterias oriundas encontrando que la erodabilidad del suelo disminuye comparado con el suelo en condiciones normales y Victoria S.W (2004) Microbial CaCO₃ precipitation for the production of biocement. Western Australia. Indica el tratamiento de las bacterias y su relación con la producción de carbonato de Calcio.

2.    Material y métodos

Nuestra población son los suelos con características granulares no cohesivas ubicados en el departamento de Lambayeque y que fueron localizados tomando como fuente de información los mapas geotécnicos del Instituto Nacional de Defensa Civil (INDECI) del proyecto denominado “Plan de prevención ante desastres: usos del suelo y medidas de mitigación”.

La muestra fue obtenida por un muestreo no probabilístico del tipo intencional o conveniencia, del tipo espacial considerando los planos de referencia y según las características de suelo que debíamos tener (SP -  Arena mal Gradada). Cabe mencionar que la cantidad de muestra promedio a utilizar está en base a los ensayos de laboratorio realizados y que haciende a 172.83 Kg. El total de la muestra utilizada se obtuvo de 14 puntos de extracción que se ubicaron a lo largo de todo el departamento de Lambayeque, es decir se extrajeron 12.35 Kg por punto de estudio.

Tabla 1

Ubicación de Muestras

 

 

Fuente: Elaboración propia  

Se aplicó la observación científica del tipo directa como técnica de investigación, además de registrar, analizar e interpretar datos y elaborar conclusiones.

Para poder operativizar la observación científica debemos de tener un instrumento de investigación, es por ello que se definió los instrumentos a utilizar de acuerdo a la naturaleza del estudio realizado, identificando instrumentos para los ensayos microbiológicos y para los de Mecánica de Suelos  

3.    Resultados y discusión

Los resultados obtenidos se presentarán tomando en cuenta la muestra no tratada y la muestra tratada, para diferenciar los resultados obtenidos provenientes de la investigación, los mismos que paso a detallar:

3.1     Muestra no tratada (MNT)

Se denomina muestra no tratada, aquella muestra que ha sido analizada tal como se obtuvo de su lugar de origen y cuyos resultados presentamos a continuación:

3.1.1     Resultados obtenidos del análisis granulométrico y clasificación SUCS de la MNT

El análisis granulométrico de las muestras no tratadas se realizó tomando en cuenta los procesos establecidos en la Norma Técnica Peruana y obteniendo los diámetros característicos tales como el D₁₀, D₃₀ y D₆₀, que nos permitirán clasificar el suelo según el sistema SUCS, los mismo que se detalla en el cuadro adjunto

 

 

Tabla 2

Clasificación SUCS de las muestras estudiadas

 

 

Según los datos obtenidos del análisis granulométrico de la muestra 12 correspondiente a la zaranda presenta los menores valores correspondientes al D₁₀ = 0.082, D₃₀ = 0.100 y D₆₀ = 0.182, además mencionar que los valores encontrados determinaron que la clasificación según SUCS para nuestras muestras estudiadas corresponden a suelo no cohesivo del tipo SP, es decir una arena mal gradada.  

3.1.2          Resultados correspondientes al Peso Específico Relativo de los sólidos y al ensayo de compactación de la MNT

Uno de los parámetros importantes del análisis en nuestra investigación es el ensayo del peso específico relativo de los sólidos y el ensayo de compactación que nos permitió analizar la relación de vacíos de las muestras y los óptimos contenidos de humedad que se utilizaron en el ensayo de corte directo.

Tabla 3

Gs, OCH y Densidad Seca Máxima de las MNT

 

Según los datos obtenidos podemos observar que el rango del peso específico relativo de los sólidos esta entre 2.57 y 2.84, perteneciente a la muestra 07 (Reque) y 10 (Pimentel), además de apreciar que la muestra 09 requiere 6.91% de agua para ser compactado en óptimas condiciones.  

3.1.3     Resultados correspondientes al ensayo de corte directo de la MNT  

El ensayo de corte directo nos brinda los parámetros de cohesión y el ángulo de fricción interna, valores que intervienen en el análisis de la estabilización del suelo y en el diseño de diferentes infraestructuras concernientes a la interacción suelo – estructura, es por ello que para la presente investigación se encontraron los siguientes resultados en las 14 muestras estudiadas.  

Tabla 4

Resultados de cohesión y Angulo de Fricción interna de la MNT

 

Según los datos obtenidos podemos observar que los valores obtenidos para la cohesión tienden hacer cero debido a la característica del suelo (SP), presentándose el menor valor de 0.0022 en las Muestras 03 (Lambayeque), 05(Reque) y 07 (Callanca), además que el ángulo de fricción interna con mayor valor de 29.7° se presenta en la Muestra 03 (Lambayeque)  

3.1.4     Resultados de Carbonato de Calcio, pH y permeabilidad de la MNT  

Se realizó el ensayo químico para determinar la cantidad de Carbonato de Calcio, además de verificar las alcalinidad o acidez del suelo por medio del pH y la constante de permeabilidad del suelo  

Tabla 5

% Carbonato de Calcio de la MNT

 

Podemos observar que el suelo que presenta mayor CaCO₃ es la Muestra 01 (Mórrope) con 0.34% y con menor presencia es la Muestra 05 con un 0.13%, además las 14 muestras indican que son básicos debido a que los valores de pH están por encima de 7, el suelo que presenta mayor facilidad para el paso del agua es la Muestra 05 (Reque) con un valor de 0.01636 cm/s y la que ofrece mayor resistencia es la Muestra 09 (Pimentel) con un valor de 0.00946 cm/s.  

3.2     Muestra Tratada (MT)  

Se denomina muestra tratada (MT) a aquellas muestras a las cuales se le aplico las Bacterias Calcificantes con el fin de mejorar algunas de sus propiedades tales como la disminución de relación de vacíos, disminuir la permeabilidad, aumentar sus esfuerzos normales y cortantes, etc.  

3.2.1     Resultados correspondientes al ensayo de corte directo de la MT  

El ensayo de corte directo con las bacterias inoculadas presenta los siguientes resultados:    

Tabla 6

Resultados de cohesión y Angulo de Fricción interna de la MT

 

Según los datos obtenidos podemos observar que el rango de la Cohesión de la MT esta entre 0.0996 y 0.2101, perteneciente a la muestra 05 (Reque) y 09 (Pimentel), respectivamente.  

3.2.2     Resultados correspondientes a la cantidad de Carbonato de Calcio de la MT  

La aplicación de las bacterias Calcificantes en las 14 muestras estudiadas, permitió la precipitación del carbonato de calcio, aumentar el pH y el G_s, además de disminuir la permeabilidad  

Tabla 7

% Carbonato de Calcio de la MT

 

Podemos observar que el suelo que presenta mayor CaCO₃ es la que corresponde a la Muestra 09 (Pimentel) con 5.44% y la que presenta menor presencia es la Muestra 05 (Reque) con un 1.65%, los resultados de las 14 muestras indican que los suelos son básicos debido a que los valores de pH están por encima de 7, encontrando el menor valor en la Muestra 05 (Reque) de 7.78 y el mayor valor en la Muestra 01 (Pimentel) de 8.35%, el suelo que presenta mayor valor de permeabilidad es la que corresponde a la Muestra 05 (Reque) con 0.01396 cm/s y la que presenta menor valor es la Muestra 09 (Pimentel) con 0.00836 cm/s, y los G_S esta entre 2.82 y 3.21, perteneciente a la muestra 05 (Reque) y 01 (Mórrope).  

Los valores encontrados en la presente investigación han sido analizados tomando en cuenta las muestras no tratadas (MNT) y tratadas (MT), en base a la hipótesis planteada y además respaldado con las bases teóricas encontradas.  

3.3     Evaluación de pH Vs. Carbonato de Calcio (CaCO₃) de la MNT  

 

3.4 Evaluación de la Permeabilidad (K) Vs. Peso Específico Relativo (GS) de la MNT  

 

3.5     Evaluación del Peso Específico Relativo (GS) de la MNT y MT  

A continuación, se presenta los gráficos comparando el ensayo de peso específico relativo entre la MNT y MT por provincia, encontrado en todas las muestras un aumento que oscila entre 9.5 y 13,5%, producto de la disminución de los espacios vacíos de la muestra por la presencia del carbonato de Calcio.  

3.6     Evaluación del Carbonato de Calcio (CaCO3) de la MNT y MT  

Uno de nuestros objetivos de inocular bacterias a las muestras estudiadas es que estas precipiten carbonato de calcio aumentando su presencia y ocupando los espacios vacíos del suelo, tal como se observan en los resultados obtenidos.  

 

 

 

3.7     Evaluación del pH de la MNT y MT  

Debido a la presencia de las bacterias que tienen como propiedad aumentar el pH del medio en donde se encuentran y además por el aumento del carbonato de Calcio podemos observar como las muestras presentan mayor alcalinidad  

 

 

 

3.8     Evaluación de la permeabilidad k de la MNT y MT  

La disminución se dio entre 9.5 y 22.7%  

 

 

 

 

3.9     Evaluación de la cohesión de la MNT y MT

Producto de la precipitación del carbonato de calcio la cohesión presento un aumento en las catorce muestras estudiadas con respecto a las muestras en estado natural cuyos valores mejoraron de 0.074 a 0.1703 y de 0.0022 a 0.1632

   

4.    Conclusiones  

·      Se evaluaron 14 muestras distribuidas de la siguiente manera: Provincia de Lambayeque (04 muestras), Provincia de Chiclayo (05 Muestras) y Provincia de Ferreñafe (05 Muestras), dando como resultado un suelo tipo SP – arena mal gradada según el Sistema SUCS, cuya característica principal es que las muestras en el ensayo granulométrico no pasaron más del 5% la malla Nª 200.

·      Se reactivaron 15 cepas del Laboratorio de Agrobiotecnología de la USS, del tipo Actinomicetos que garantizaron la precipitación de Carbonato de Calcio, siendo dos cepas las que mostraron mejor actividad ureolítica

·      Se aplicó las bacterias Calcificantes por 10 días a las catorce muestras para después ser evaluados por los distintos ensayos establecidos tales como: Peso específico relativo, Permeabilidad, Carbonato de Calcio, pH, Corte Directo y contenido de sales totales

·      Los suelos inoculados con las Bacterias Calcificantes obtuvieron los siguientes resultados: el Carbonato de Calcio producto de la acción de las bacterias Calcificantes en el medio donde se inocularon aumentando su presencia de 0.32 a 5.44% como valor máximo en las muestras de la provincia de Chiclayo, y la alcalinidad del suelo aumento en un rango de 3.85 a 9.37%. Los valores obtenidos en peso específico relativo aumento de 9.5 a 13.5%, que indican la disminución de los espacios vacíos, de igual forma la permeabilidad manifiesta una disminución de 9.5 a 22.7% y además la cohesión aumento de 0.074 a 0.1703 y de 0.0022 a 0.1632  

5.    Referencias 

 

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