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La estabilización de suelos con polímeros se refiere a la adición de polímeros para mejorar las propiedades físicas de los suelos, con mayor frecuencia para proyectos de ingeniería geotécnica , construcción o agricultura. [1] Incluso en concentraciones muy pequeñas dentro de los suelos, se ha demostrado que varios polímeros aumentan la retención de agua y reducen la erosión, aumentan la resistencia al corte del suelo y sostienen la estructura del suelo. [2] Se ha utilizado una amplia gama de polímeros para abordar problemas que van desde la prevención de la desertificación hasta el refuerzo de las capas de las carreteras . [3] [1] [4]
Los polímeros que se han probado para efectos de estabilización del suelo incluyen una gama de polímeros sintéticos y biopolímeros . [1] [5] Los biopolímeros en particular ofrecen una alternativa más ecológica a los aditivos químicos tradicionales, como el cemento común , que puede generar una gran cantidad de dióxido de carbono durante la producción o causar daños ambientales duraderos . [1] [6]
Los polímeros afectan principalmente la agregación y la resistencia de los suelos a través de sus interacciones con partículas finas de arcilla. Los recubrimientos de polímeros adsorbidos sobre arcillas pueden aumentar su estabilización estérica al evitar que las partículas de arcilla se acerquen entre sí tan de cerca. Alternativamente, las moléculas de polímero que se unen con múltiples partículas de arcilla promueven la floculación . [2] Las redes de hidrogel pueden dar como resultado un fortalecimiento más indirecto dentro de los suelos al crear un andamiaje para las partículas del suelo. Se puede impartir resistencia adicional a las redes de polímeros dentro de los suelos a través de la reticulación química y el curado . [1] [5]
Descripción general
Los polímeros sintéticos comenzaron a reemplazar a otros aglutinantes químicos para la estabilización del suelo en la agricultura a fines del siglo XX. [1] En comparación con los aglutinantes químicos tradicionales, los aditivos poliméricos para el suelo pueden lograr la misma cantidad de fortalecimiento en concentraciones mucho más bajas; por ejemplo, las mezclas de 0,5 a 1 % de varios biopolímeros tienen niveles de resistencia que igualan o superan los de las mezclas de cemento al 10 % en los suelos. [1] Los polímeros sintéticos, incluidos los geopolímeros y los biopolímeros , se han probado por sus interacciones beneficiosas con los suelos. Los métodos para introducir polímeros en los suelos incluyen mezclar, inyectar, rociar y aplicar lechado. [1] Los polímeros líquidos, vendidos como soluciones concentradas, se pueden aplicar en profundidad en el suelo mediante inyección a presión o aplicarse directamente al suelo no compactado. [5]
Polímeros sintéticos
Los geopolímeros sintéticos a base de aluminosilicato proporcionan muchas de las mismas propiedades aglutinantes que el cemento Portland . En comparación con otros aditivos poliméricos, muchos geopolímeros son bastante duraderos, con alta resistencia mecánica y estabilidad térmica. Reaccionan fácilmente con el hidróxido de calcio en agua, lo que les permite actuar como aglutinantes cementicios. Los geopolímeros ofrecen la ventaja de ser más respetuosos con el medio ambiente y energéticamente eficientes de producir que los aditivos químicos tradicionales, y pueden sintetizarse a partir de productos de desecho como relaves mineros o cenizas volantes . [7] Cuando estos productos de desecho se tratan con un reactivo alcalino, el aluminosilicato se despolimeriza rápidamente y se policondensa en una estructura polimérica tridimensional rígida que recubre y fortalece los poros del suelo . [8] Los geopolímeros se han aplicado para estabilizar suelos yesosos debido a su resistencia al azufre y otros ataques químicos, que debilitan el cemento tradicional. [9]
Biopolímeros
Los biopolímeros se sintetizan como resultado de procesos biológicos y, a menudo, son menos dañinos para el paisaje y su biota debido a sus orígenes naturales. De los tres tipos de biopolímeros, los polisacáridos han demostrado ser más útiles como aglutinantes del suelo que los polinucleótidos o polipéptidos . Los biopolímeros que se han probado para su uso en la estabilización del suelo incluyen celulosa , almidón , quitosano , goma xantana , curdlan y beta-glucano . [1] Algunos biopolímeros son sensibles al agua y los suelos más húmedos muestran una cohesión biopolímero-arcilla más débil. Debido a esto, cuando se humedecen, los biopolímeros de tipo gel forman hidrogeles que tienen una resistencia a la tracción reducida pero una resistencia a la compresión significativamente mayor en comparación con el suelo original. Los biopolímeros a base de proteínas , aunque menos comunes, se han utilizado como una alternativa a los polisacáridos para proyectos que requieren una mayor resistencia al agua. [1]
Los biopolímeros podrían reemplazar cada vez más a los polímeros sintéticos en los proyectos de estabilización de suelos. Son más respetuosos con el medio ambiente que muchos otros aditivos químicos para el suelo y pueden lograr el mismo grado de fortalecimiento en concentraciones mucho más bajas. El aumento del uso de biopolímeros podría compensar las emisiones de dióxido de carbono asociadas con la producción de cemento, que pueden llegar a ser de hasta 1,25 toneladas de dióxido de carbono por tonelada de cemento. [1]
Química polímero-suelo
Los tratamientos con polímeros modifican el tamaño, la forma y la cohesión de los agregados del suelo al cambiar las interacciones entre las partículas del suelo. Debido a que las interacciones polímero-suelo ocurren en las superficies de las partículas del suelo, la cantidad de área superficial en el suelo (en otras palabras, su tamaño de partícula dominante ) es de gran importancia. [5] Los polímeros solo tienen interacciones débiles con las partículas grandes del suelo del tamaño de arena y limo, mientras que se unen directamente a las arcillas más finas. [1] Aunque los polímeros interactúan principalmente con la fracción arcillosa de los suelos, cambian las propiedades de los suelos arenosos en menor grado. [2] La estructura del polímero dicta cómo interactuarán con las partículas de arcilla. Por ejemplo, los copolímeros en bloque dan como resultado propiedades del suelo muy diferentes a las de los homopolímeros , al igual que los polímeros iónicos y no iónicos. Además, los mecanismos por los cuales diferentes polímeros se adsorben sobre las superficies de las partículas de arcilla dan como resultado diferentes propiedades y respuestas del suelo. [2]
Estabilización estérica
Los polímeros en las superficies de la fracción coloidal de los suelos promueven la estabilización estérica de esas partículas al evitar que se acerquen entre sí y se agreguen. Este efecto se observa en una variedad de entornos acuosos y no acuosos, y no se ve afectado por los electrolitos en solución. [2] El grado de estabilización estérica depende de la cantidad de superficie de arcilla cubierta por polímeros adsorbidos, la fuerza del enlace del polímero, el espesor de la capa de polímero y la favorabilidad del solvente para los bucles y colas del polímero. Los copolímeros de bloque e injerto , compuestos de dos homopolímeros diferentes con diferentes solubilidades en el medio de suspensión, se utilizan con mayor frecuencia para la estabilización estérica. Cuando se sintetizan para tener regiones alternas de monómeros hidrófobos e hidrófilos, los copolímeros pueden estabilizar la suspensión porque su grupo hidrófobo se adsorbe fuertemente a la superficie del coloide mientras que el grupo hidrófilo es atraído por el solvente. En general, la adsorción de polímeros a superficies de arcilla se ve favorecida entrópicamente porque una molécula de polímero desplaza muchas moléculas de agua que previamente estaban unidas a la partícula del suelo. [2]
Las suspensiones de partículas de arcilla y polímeros se han utilizado para comprender el mecanismo de esta estabilización estérica en los suelos. Consideremos un homopolímero adsorbido a las superficies de partículas de arcilla en suspensión. A medida que las partículas de arcilla se aproximan entre sí hasta alcanzar un espesor dos veces mayor que el de las capas de polímero, los bucles y las colas de los polímeros de una superficie comenzarán a bloquear a los de la otra, lo que provocará una disminución de la entropía configuracional . Esto es desfavorable porque aumenta la energía libre de Gibbs del sistema y será energéticamente más favorable que las partículas coloidales permanezcan más separadas. [2]
En general, la energía libre de las interacciones estéricas (Δ G s ) se puede expresar como una función tanto de la energía elástica repulsiva (Δ G el ) como de la energía libre de mezcla (Δ G mix ):
- Δ G s = Δ G el + Δ G mezcla [2]
La energía elástica repulsiva (Δ G el ) aumenta a medida que más polímeros se adsorben a las superficies de las partículas de arcilla. Esto se puede modelar como:
- Δ G el = 2k B T Γln(Ω( h )/Ω(∞)) [2]
donde k B es la constante de Boltzmann , T es la temperatura, Γ es el número de polímeros adsorbidos por unidad de área superficial y Ω( h ) y Ω(∞) son el número de conformaciones disponibles en h y distancias infinitas. Δ G s debido a interacciones estéricas también es una función de la energía libre de mezcla (Δ G mix ) . Lo más común es que esto favorezca mayores distancias entre las moléculas de polímero en solución. [2]
Floculación
Alternativamente, bajo diferentes condiciones, los polímeros pueden mejorar la floculación . Los agregados de partículas se mantienen unidos con más fuerza por polímeros que por electrolitos. Tales interacciones se denominan floculación puente porque una sola cadena de polímero está vinculada a múltiples partículas de suelo. Ejemplos de polímeros puente comunes incluyen poliacrilamida (PAM) y óxido de polietileno . En un estudio, se descubrió que PAM aumentaba el tamaño de los flóculos de caolinita en experimentos de suspensión de 10 μm a varios milímetros. [10] Los beneficios de máxima resistencia de la floculación se logran cuando los polímeros cubren un área de superficie equivalente a la mitad de la capacidad de saturación del polímero. [2] La adición de polímero más allá de este punto hace que el polímero actúe como un lubricante, lo que permite que las partículas de suelo se deslicen unas sobre otras. [5]
Se ha demostrado que los biopolímeros fortalecen los suelos tanto por cohesión con partículas de arcilla para formar matrices de arcilla polimérica como por promover la agregación de partículas de suelo más gruesas entre sí dentro de la matriz de arcilla polimérica. Los grupos hidroxilo de los biopolímeros de polisacáridos les permiten formar enlaces de hidrógeno directamente con partículas de arcilla cargadas (en suelos secos), así como con el agua de los poros del suelo (en suelos húmedos). Estas interacciones son promovidas por la gran área superficial tanto de los propios biopolímeros como de las partículas de arcilla con las que se unen. [1] Cuando los polímeros ionizados (como muchos biopolímeros) con la misma carga que las partículas de arcilla se adsorben a su superficie, aumentan la repulsión eléctrica de doble capa. [2]
Reticulación y curado
La resistencia de las cadenas de polímeros se puede mejorar mediante la reticulación , que aumenta las interacciones entre cadenas a través de la unión con otro reactivo. [11] La alta resistencia mecánica de las mezclas de suelo/polímero después de la reticulación puede hacer que muchos polímeros sean más adecuados para proyectos de estabilización de suelos. [1] El tiempo de curado después de la adición del polímero también puede afectar la resistencia de las estructuras de polímero-suelo formadas. [12] Después de siete días de curado, el polímero líquido SS299 dio como resultado un suelo con el doble de resistencia a la compresión que el suelo sin tratar. Algunos polímeros también pueden adquirir resistencia mucho más rápidamente durante el curado que los aditivos químicos tradicionales no poliméricos. [5]
Aplicaciones
Las características del suelo que se han alterado con la adición de polímeros incluyen la resistencia a la compresión, la estabilidad del volumen, la durabilidad hidráulica y la conductividad. [5] Los polímeros pueden ayudar a prevenir la erosión del suelo y aumentar la infiltración de agua al fortalecer los agregados del suelo y sostener la estructura del suelo. Las propiedades del suelo en sí son un control dominante sobre la capacidad de los polímeros para interactuar con él. Un estudio del polímero alcalino catiónico SS299 (un aditivo producido comercialmente) encontró que las propiedades de los suelos tratados dependen del índice de plasticidad del suelo original, que refleja su contenido de arcilla. [5]
La hinchazón de los biopolímeros con hidrogeles reduce la cantidad de espacio poroso del suelo, lo que restringe el flujo de agua y hace que los hidrogeles poliméricos sean adecuados para proyectos de construcción que buscan minimizar la filtración de agua y favorecer el crecimiento de la vegetación. [13] Los biopolímeros se pueden añadir a los suelos junto con polímeros sintéticos para aprovechar las propiedades de ambos polímeros. Al aumentar la retención de agua y las tasas de infiltración en los suelos, la adición de biopolímeros aumenta la disponibilidad de agua para las plantas. [1] Esto es particularmente aplicable en regiones áridas como los desiertos, donde las sequías dejan los suelos susceptibles a altas tasas de erosión durante los eventos de precipitación. Al retener el agua, los suelos mejorados reducen la escorrentía y la erosión que la acompaña. [3] El PAM se ha aplicado ampliamente como estabilizador de suelos para la agricultura, tanto para retener agua en los campos como para mejorar la calidad del agua de escorrentía al reducir la cantidad de sedimentos que ingresan a los ríos y arroyos. [14]
Véase también
- Estabilización de suelos
- Acondicionador de suelo
- Agricultura con hidrogel
- Rhoca-Gil
- Contaminación plástica
- Microplásticos
Referencias
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