Características hidroestructurales y dinámicas de la arcilla roja compactada de Nanning considerando los efectos de humedecimiento–secado

Por qué importa la fisuración de las tierras rojas para las carreteras de uso cotidiano

En gran parte del sur de China, las autopistas y las carreteras locales se construyen sobre un suelo distintivo de color herrumbre conocido como arcilla roja. Estos suelos lateríticos son lo bastante resistentes para soportar el tráfico, pero habitan un entorno duro: largas temporadas de calor, humedad y repetidos encharcamientos y secados. Con el uso a lo largo de los años, esta “respiración” natural del terreno puede debilitar de forma silenciosa el suelo bajo el pavimento, dando lugar a surcos, grietas y costosas reparaciones. Este estudio examina en profundidad una arcilla roja común de Nanning para ver cómo evolucionan sus poros diminutos, su capacidad de retener agua y su respuesta a las cargas de tráfico tras numerosos ciclos de humedecimiento–secado, y cómo los ingenieros pueden predecir mejor su comportamiento a largo plazo.

De dónde procede la arcilla roja

Los investigadores se centraron en una arcilla roja recogida a aproximadamente un metro bajo la superficie en un tramo de la carretera de circunvalación en Nanning, una ciudad subtropical del sur de China. Como ocurre con muchas tierras rojas, se formó cuando la caliza y otras rocas se descomponían lentamente en un clima cálido y húmedo, dejando una arcilla rica en óxidos de hierro que le confieren su color y resistencia natural. En la práctica, este tipo de suelo suele compactarse para formar la capa de apoyo, o subrasante, bajo pavimentos más delgados en carreteras de menor jerarquía. Esas subrasantes experimentan baja presión lateral del terreno circundante pero tensiones relativamente altas en sentido vertical por el paso de vehículos. Además, suelen estar parcialmente no saturadas, lo que significa que sus propiedades dependen en gran medida de cuánta agua contienen y de cómo esa agua entra y sale con el tiempo.

Cómo probó el equipo el suelo

Para imitar la construcción real, la arcilla se compactó en laboratorio hasta su densidad máxima estándar y su contenido óptimo de agua —la condición que los ingenieros suelen buscar en obra—. Algunas muestras se mantuvieron en ese estado “tal como compactadas”, mientras que otras fueron sometidas a diez ciclos completos de humedecimiento–secado, desde casi saturadas hasta casi secas al aire y de nuevo, para representar años de variación estacional. El equipo empleó varias herramientas. Las pruebas de intrusión de mercurio cartografiaron el tamaño de los poros dentro del suelo. Equipos especializados midieron la tensión con que el suelo retiene el agua a distintos niveles de humedad. Finalmente, especímenes cilíndricos fueron sometidos a 20.000 ciclos de carga simulada de tráfico en un equipo triaxial, lo que permitió medir tanto la respuesta elástica (módulo resiliente, una medida de rigidez) como la deformación permanente que se acumula con cada carga.

Qué ocurre dentro del suelo durante las estaciones húmedas y secas

Recién compactada, la arcilla roja se comporta como una estructura formada por pequeños agregados de partículas. Existen poros diminutos dentro de cada agregado y poros más grandes entre agregados, lo que dota al suelo de un sistema de poros “dual”. Esta disposición se refleja claramente en cómo el suelo retiene el agua: su curva de succión–humedad presenta dos etapas en las que el aire entra primero en los poros mayores y luego en los menores. Tras diez ciclos de humedecimiento–secado, esta arquitectura interna cambia. Los poros dentro de los agregados se contraen, mientras que los espacios entre agregados y las grietas entre bloques se amplían. El espacio vacío total aumenta y la curva de succión–humedad, antes claramente bifásica, se suaviza. El suelo ahora absorbe más agua en saturación pero la pierde más fácilmente a succión baja, lo que significa que retiene la humedad con menos eficacia en el rango más importante para el rendimiento de los pavimentos.

Cómo cambian las respuestas a las cargas de tráfico a medida que el suelo envejece

Las pruebas de carga revelan cómo estos cambios microscópicos se traducen en comportamiento de la carretera. Bajo cargas repetidas, la arcilla muestra dos respuestas clave: una deformación recuperable elástica y una deformación permanente que se acumula con cada ciclo. A medida que aumenta el contenido de agua y disminuye la succión interna, el suelo se ablanda (su módulo resiliente cae) y acumula más deformación permanente. Tras los ciclos de humedecimiento–secado, esta sensibilidad a la humedad se intensifica. Para la misma tensión, una muestra humedecida y ciclada puede acumular deformaciones permanentes muchas veces superiores a las de una muestra más seca y no ciclada, y puede alcanzar deformaciones de nivel de falla a niveles de tensión más bajos. Al mismo tiempo, la rigidez del suelo disminuye y se vuelve menos sensible a cambios en la carga una vez que la estructura ha sido dañada por los ciclos. Usando una ecuación simple basada en la succión y el grado de saturación del suelo, los autores pudieron capturar estas tendencias fuertemente curvadas tanto para la rigidez como para la deformación permanente, antes y después del ciclado, con un único parámetro de ajuste que aumenta conforme la estructura se degrada.

Un vínculo oculto entre comportamiento elástico y plástico

Un hallazgo llamativo es que, a pesar de los distintos niveles de tensión, estados de humedad e historias de humedecimiento–secado, la relación entre la rigidez de la arcilla y su deformación permanente acumulada sigue una única curva suave. Los estados más rígidos corresponden de forma consistente a deformaciones permanentes muy pequeñas, mientras que los estados más blandos se asocian con deformaciones mucho mayores. Esto sugiere una conexión subyacente entre cómo el suelo recupera su forma tras cada carga y cuánto se desplaza y asienta con el tiempo, lo que potencialmente ofrece una forma de estimar el ahuellamiento a largo plazo a partir de medidas de rigidez más sencillas en el diseño.

Qué significa esto para las carreteras sobre arcilla roja

Para los no especialistas, el mensaje es que el aparentemente sólido terreno rojo bajo muchas carreteras está lejos de ser estático. El humedecimiento y secado estacionales reconfiguran el suelo desde su interior, creando más grietas y poros mayores, reduciendo su capacidad de retener agua y haciéndolo a la vez más blando y más propenso a hundimientos permanentes bajo el tráfico —especialmente cuando está húmedo. Al vincular estos cambios con medidas sencillas de humedad y succión del suelo, y al revelar un nexo estable entre rigidez y deformación a largo plazo, este trabajo ofrece a los ingenieros mejores herramientas para prever cómo envejecerán las subrasantes de arcilla roja y para diseñar pavimentos que se mantengan más seguros y uniformes a lo largo de su vida útil.

Cita: Deng, S., Zhang, H., Wei, J. et al. Hydrostructural and dynamic characteristics of compacted Nanning red clay considering wetting-drying impacts. Sci Rep 16, 11483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41777-9

Palabras clave: subrasante de arcilla roja, ciclos de humedecimiento y secado, estructura de poros del suelo, módulo resiliente, rendimiento de pavimentos