Efectos sinérgicos de la escoria de alto horno molida y la nano‑sílice sobre la consolidación, la compresibilidad y el comportamiento microestructural de una arcilla de alta plasticidad

Por qué importa dominar los suelos problemáticos

Muchas carreteras, edificios y tuberías se construyen sobre suelos arcillosos que se hinchan al mojarse y se contraen al secarse. Estos movimientos pueden agrietar pavimentos, inclinar cimientos y aumentar los costes de mantenimiento. Este estudio explora una manera más limpia de calmar esas arcillas “nerviosas” mezclándolas con un subproducto industrial de la fabricación de acero y partículas ultrafinas de sílice. El objetivo es lograr que las arcillas conflictivas se asienten menos, se hinchen menos y soporten las estructuras de forma más fiable, a la vez que se reutilizan residuos en lugar de recurrir a cementos tradicionales de elevada huella de carbono.

Convertir residuos siderúrgicos y nanopolvo en aliados del suelo

Los investigadores se centraron en una arcilla de alta plasticidad preparada en laboratorio para comportarse como arcillas naturales muy expansivas. Combinaron dos aditivos: escoria de alto horno molida, un polvo vítreo residual de la producción de hierro y acero, y nano‑sílice, un polvo de sílice fume con partículas de decenas de nanómetros. La escoria aporta calcio y aluminio que pueden reaccionar con el agua para formar geles semejantes al cemento, mientras que la nano‑sílice, con su enorme área superficial, puede rellenar huecos muy pequeños y acelerar esas reacciones. Ajustando la proporción de cada material, el equipo comprobó si la combinación podía superar el rendimiento de la escoria por sí sola.

Cómo se pusieron a prueba las nuevas mezclas de suelo

Se prepararon mezclas de arcilla‑escoria‑nano‑sílice con contenidos de escoria entre el 10 % y el 40 % respecto a la masa del suelo seco y nano‑sílice al 0 %, 1 % o 1,5 %. El equipo midió primero rasgos básicos como la cantidad de agua que el suelo puede retener antes de volverse pastoso o friable y la densidad máxima de compactación—información clave para la práctica constructiva. A continuación, utilizaron equipos estándar de consolidación para someter las muestras a distintas cargas, registrando la velocidad de drenaje del agua, la magnitud del adelgazamiento de la capa y la recuperación al aliviar parcialmente la carga. Pruebas separadas midieron cuánto se hinchaban las muestras al empaparse bajo ligera presión. Finalmente, imágenes de alta magnificaci ón y métodos de rayos X se emplearon para observar cómo cambiaba la estructura interna del suelo y qué productos de reacción se formaban.

Lograr que la arcilla se asiente menos y se vuelva más rígida

La arcilla sin tratar se comportó como un suelo problemático clásico: muy blando, fácilmente comprimible y proclive a grandes asientos a largo plazo. Añadir solo escoria redujo de forma constante cuánto se comprimía la capa bajo carga y cuánto se expandía al descargarse, además de acelerar la salida del exceso de agua. Cuando se añadió nano‑sílice sobre la escoria, las mejoras se hicieron más pronunciadas: la mezcla más eficaz—aproximadamente 40 % de escoria con 1 % de nano‑sílice—redujo la medida principal de compresibilidad hasta aproximadamente un tercio de su valor original y aumentó notablemente la rigidez. El suelo se consolidó más rápido y mostró menos “fluencia” dependiente del tiempo tras el asentamiento inicial. Elevar la nano‑sílice al 1,5 % no aportó beneficios adicionales y en ocasiones empeoró ligeramente el comportamiento, lo que sugiere que un exceso de partículas ultrafinas puede aglomerarse, exigir más agua e interferir con un empaquetamiento eficiente.

Frenar la expansión dañina

Para las estructuras sobre arcillas expansivas, el hinchamiento es a menudo tan peligroso como el asentamiento. En este estudio, la arcilla sin tratar presentó un índice de expansión muy alto, que indicaba un fuerte potencial de levantamiento al humedecerse. La adición de escoria por sí sola redujo sustancialmente este índice, y la combinación de escoria con nano‑sílice lo disminuyó aún más—alrededor de dos tercios en los mejores casos respecto a las mezclas solo con escoria. Los autores atribuyen esta mejora a cambios químicos en las superficies de las partículas de arcilla y al crecimiento de productos gelificados que cohesionan las partículas y rellenan los huecos entre ellas. A medida que la estructura del suelo se vuelve más densa y mejor cementada, hay menos espacio para que el agua separe las láminas y provoque movimientos ascendentes.

Qué ocurre dentro del suelo

Las imágenes microscópicas de la arcilla original mostraron una disposición suelta y porosa de partículas en forma de lámina. Tras el tratamiento con escoria, y especialmente con escoria más nano‑sílice, esos espacios abiertos se llenaron con una matriz más continua y tipo adhesivo rica en calcio, silicio y aluminio. Los patrones de rayos X confirmaron un desplazamiento hacia materiales más amorfos y pobremente cristalinos—rasgos característicos de geles similares al cemento en lugar de granos minerales bien definidos. Estos cambios internos coinciden con los resultados de las pruebas: un armazón más denso e interconectado resiste mejor la variación de volumen, soporta cargas con mayor eficacia y permite que el exceso de agua drene de forma más controlada.

Una conclusión práctica para el trabajo de campo

Para el público no especialista, el mensaje clave es que una mezcla inteligente de escoria siderúrgica y nano‑sílice puede transformar una arcilla muy inestable en un material de cimiento mucho más fiable. El suelo tratado se asienta menos, se hincha menos al empaparse y se vuelve más rígido bajo cargas cotidianas, todo ello aprovechando subproductos industriales. Aunque el punto óptimo exacto de nano‑sílice variará según el emplazamiento, este estudio muestra que dosis modestas—en torno al 1 % respecto al peso del suelo—pueden desbloquear una sinergia útil con la escoria. A largo plazo, tales sistemas de doble aglutinante podrían ayudar a los ingenieros a construir carreteras y cimientos más seguros sobre arcillas difíciles sin depender tanto del cemento convencional, intensivo en carbono.

Cita: Uysal, F., Yılmaz, V. Synergistic effects of ground granulated blast furnace slag and nano-silica on the consolidation, compressibility and microstructural behavior of high plasticity clay. Sci Rep 16, 6548 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37652-2

Palabras clave: estabilización de suelos, arcilla expansiva, escoria de alto horno, nano‑sílice, mejora del terreno