Mejora del comportamiento mecánico y a cortante de suelos arcillosos mediante cal, Nano-MgO y fibras recicladas de PET: evaluación experimental y basada en UPV

Construir sobre terrenos blandos

Muchas ciudades se expanden sobre terrenos cubiertos por suelos arcillosos que son naturalmente débiles y propensos a hincharse, encogerse y agrietarse. Estos suelos pueden provocar el deterioro de carreteras, filtraciones en tuberías y el inclinamiento de cimentaciones con el tiempo. Este estudio explora una forma más limpia e inteligente de convertir arcillas problemáticas en una base más resistente y confiable para la construcción, al mismo tiempo que reduce las emisiones de carbono y reutiliza botellas de plástico desechadas.

Una nueva receta para un suelo más resistente

Los investigadores se centraron en una arcilla de alta plasticidad, un tipo especialmente problemático que cambia de volumen al mojarse o secarse. Tradicionalmente, los ingenieros mezclan estos suelos con cal para endurecerlos y estabilizarlos. La cal funciona bien, pero su producción libera grandes cantidades de dióxido de carbono. Para reducir esta huella y mejorar el rendimiento, el equipo desarrolló una mezcla de tres componentes: cal, óxido de magnesio nanométrico (nano-MgO) ultrafino y fibras cortas hechas de polietileno tereftalato (PET) reciclado, el plástico usado en botellas de bebida. La idea era que la cal y el nano-MgO cementaran químicamente los granos del suelo entre sí, mientras que las fibras de PET actuaran como pequeños hilos de refuerzo que mantuvieran unido el conjunto cuando se agrietara o deformara.

Cómo se ensayó el suelo

Se prepararon muestras de arcilla mezcladas con distintas proporciones de cal, nano-MgO y fibras de PET, que luego se compactaron y dejaron curar hasta 90 días. El equipo midió la resistencia a la compresión simple (resistencia a la compresión sin confinamiento), la resistencia a la tracción indirecta y la resistencia al deslizamiento (ensayos directos de corte que revelan fricción y cohesión). También emplearon la velocidad de pulso ultrasónico (UPV): se enviaron ondas sonoras a través de las muestras y se registró su velocidad de propagación. Ondas más rápidas indican una estructura interna más densa y continua. A diferencia de las pruebas tradicionales de resistencia, UPV es no destructiva, lo que permite la posibilidad de verificar rápidamente la calidad del suelo in situ sin romper las muestras.

Encontrando el punto óptimo

Los experimentos mostraron que existe un claro «punto óptimo» en las proporciones de la mezcla. Aumentar el contenido de cal mejoró la resistencia hasta aproximadamente un 10 por ciento del peso seco del suelo; más allá de ese límite, el exceso de cal formó cristales débiles que, en realidad, debilitaban el suelo. Sustituir una pequeña fracción de esa cal —alrededor del 2 por ciento del peso de la cal— por nano-MgO incrementó aún más la resistencia y la rigidez. Tras 90 días, esta mezcla de cal más nano aumentó la resistencia a compresión más de ocho veces en comparación con la arcilla no tratada y en aproximadamente un 40 a 50 por ciento respecto a la cal sola. Añadir un 0,9 por ciento de fibras de PET respecto al peso del suelo proporcionó un impulso adicional, especialmente en la resistencia a la fisuración y al fallo por tracción; sin embargo, incorporar más fibra que esa aportaba escasos beneficios adicionales e incluso podría generar zonas débiles si las fibras se agruparan.

Ver el interior del suelo

Imágenes microscópicas y de superficie confirmaron lo sugerido por los ensayos mecánicos. La arcilla sin tratar mostraba una textura suelta y porosa, con partículas en forma de lámina y muchos vacíos. En contraste, las muestras con 10 por ciento de cal y 2 por ciento de nano-MgO presentaron una estructura densa: los granos de arcilla estaban recubiertos y unidos por productos de reacción tipo gel que rellenaban los poros y ligaban las partículas. Se observó que las fibras de PET atravesaban esta matriz, con suelo cementado adherido a sus superficies, formando una red tridimensional que ayudaba a distribuir las cargas y a impedir la propagación de grietas. Las medidas UPV reflejaron estrechamente estos cambios internos. A medida que el suelo se volvió más denso y mejor ligado, las ondas ultrasónicas viajaron más rápido. El estudio halló fuertes relaciones matemáticas entre la velocidad de la onda y propiedades clave como resistencia, cohesión y ángulo de fricción, lo que sugiere que UPV puede usarse para estimar el grado de estabilización del suelo sin destruir las muestras.

Por qué esto importa en proyectos reales

Para ingenieros y planificadores, la mezcla optimizada —10 por ciento de cal, 2 por ciento de nano-MgO y 0,9 por ciento de fibras recicladas de PET— ofrece un equilibrio prometedor entre rendimiento, coste y sostenibilidad. Aumenta significativamente la resistencia y la resistencia al corte, ayudando a que cimentaciones y estructuras de tierra descansen con mayor seguridad sobre arcillas, mientras reduce la cantidad de cal necesaria y da una segunda vida útil a plásticos desechados. La posibilidad de controlar la calidad del suelo mediante pruebas ultrasónicas sencillas también podría acelerar y abaratar el control de calidad en obra. Aunque el estudio se realizó en condiciones de laboratorio controladas y aún requiere validación a escala de campo bajo ciclos reales de clima y carga, apunta hacia formas más duraderas y respetuosas con el medio ambiente de construir sobre terrenos difíciles.

Cita: Amiri, A.A., Ranjbar Malidarreh, N., Soleimani Kutanaei, S. et al. Enhancing the mechanical and shear behavior of clay soil using lime, Nano-MgO, and recycled PET fibers: experimental and UPV-based assessment. Sci Rep 16, 7548 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38956-z

Palabras clave: estabilización de suelos arcillosos, nano-MgO, fibras recicladas de PET, ensayos ultrasónicos, ingeniería geotécnica