Este documento describe métodos para identificar suelos expansivos. Explica criterios cualitativos, semi-cuantitativos y cuantitativos para determinar el potencial de expansión de un suelo. También describe pruebas estandarizadas como la ASTM D4546 y D4829 para medir la expansión. Finalmente, detalla métodos de caracterización como la difracción de rayos X y la microscopía electrónica de barrido para identificar minerales de arcilla en suelos.

1. Identificación de Suelos
Expansivos
Ing. Rafael Ortiz Hernández
Geotecnia
División de Investigación y Posgrado Facultad de Ingeniería
Universidad Autónoma de Querétaro

2. Contenido:
1. Criterios de Identificación
2. Pruebas de Expansión
3. Métodos de caracterización
1. Difracción Rayos X
2. Microscopia Electrónica de Barrido
3. Análisis térmicos
4. Potencial Hidrógeno
5. Capacidad de Intercambio Catiónico

3. Criterios de Identificación
• Identificación visual
• Contenido de arcilla significativa, CL o CH.
• Los suelos expansivos secos tienen fisuras o resquebrajamientos.
• Cuando están secos, los suelos tienen grietas en la superficie.
• La determinación del grado de expansividad tiene 3 tipos de
métodos:
• Cualitativos
• Semi-cuantitativos
• Cuantitativos
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

4. Criterios de Identificación
• Métodos cualitativos:
• Correlación de pruebas comunes con el potencial de hinchamiento
(Holtz, 1969):
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

5. Criterios de Identificación
• Métodos cualitativos:
• Correlación de pruebas comunes con el potencial de hinchamiento
(Chen, 1988):
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

6. Criterios de Identificación
• Métodos cualitativos:
• Correlación de pruebas comunes con el potencial de hinchamiento
(Abduljauwad et. al. 1993):
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

7. Criterios de Identificación
• Métodos semi-cuantitativos:
• En términos de potencial de
hinchamiento, se mide en algún tipo de
prueba de hinchamiento con carga.
• Usualmente se tiene un espécimen
cilíndrico lateralmente confinado,
inicialmente seco y cargado, luego este
es humedecido. El espécimen se hincha
verticalmente.
• Este desplazamiento se divide por la
altura inicial (inmediatamente antes de la
saturación) es el potencial de
hinchamiento, usualmente expresado
como un porcentaje. (Wang, 2016 y Coduto, 2015)
Carga
Espécimen
Micrométro

8. Criterios de Identificación
• Métodos cuantitativos:
• Son los métodos con estándares ya definidos y aceptados en la
comunidad geotécnica.
• Principalmente son aquellos publicados por la ASTM.
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

9. Pruebas de Expansión
La ASTM reconoce las siguientes dos pruebas para medir el
hinchamiento:
• ASTM D4546-21 Standard Test Methods for One-Dimensional
Swell or Collapse of Cohesive Soils
• ASTM D4829-21 Standard Test Method for Expansion Index of
Soils
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

10. Pruebas de Expansión
• ASTM D4546-21 Standard Test Methods for One-Dimensional
Swell or Collapse of Cohesive Soils
• Utiliza el edómetro para medir el potencial de expansión
• Dos tipos básicos de pruebas de edómetro:
• Prueba de hinchamiento de consolidación
• Prueba de volumen constante
• Los resultados de estas pruebas se registran como
deformaciones verticales como una función de esfuerzo
aplicado en una escala logarítmica.
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

11. Pruebas de Expansión
• ASTM D4546-21 Standard Test Methods for One-Dimensional
Swell or Collapse of Cohesive Soils
• Prueba de hinchamiento de consolidación:
• La muestra de suelo se sujeta a un esfuerzo vertical prescrito e inundado bajo
ese esfuerzo vertical constante.
• La deformación vertical que ocurre debido al humedecimiento se llama
porcentaje de hinchamiento.
• Después de que el hinchamiento se ha completado, la muestra se puede sujetar
a cargas verticales adicionales. La presión que se requiere para poner a la
muestra en su altura original se denomina la presión de hinchamiento por
consolidación.
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

12. Pruebas de Expansión
• ASTM D4546-21 Standard Test Methods for One-Dimensional
Swell or Collapse of Cohesive Soils
• Prueba de volumen constante:
• La muestra de suelo se sujeta a un esfuerzo vertical prescrito.
• Durante la inundación de la muestra se confina de hincharse y se mide el
esfuerzo que se requiere para prevenir el hinchamiento.
• El esfuerzo se determina la presión de hinchamiento de volumen constante.
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

13. Pruebas de Expansión
• ASTM D4546-21 Standard Test Methods for One-Dimensional Swell or
Collapse of Cohesive Soils
• Se tiene un resumen de los diferentes métodos de la prueba:
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)
Método
de Prueba
Descripción Tipo de espécimen
Esfuerzo en el cual se mide el
comportamiento de
hinchamiento
Parámetros medidos
A
Humedecimiento
después de carga
Especímenes reconstituidos
que duplican condiciones de
campo
Una serie de esfuerzos
diferentes representado
diferentes esfuerzos de
sobrecarga
• Presión de hinchamiento
• Potenciales de hinchamiento bajo diferentes
esfuerzos
• Potencial de hinchamiento libre
B
Único punto de
humedecimiento
después de carga
Espécimen intacto de relleno
compactado o suelo natural
Sobrecarga más cargas
estructurales inducidas
• Presión de hinchamiento
• Potencial de hinchamiento bajo cargas de sitio
C
Carga después de
humedecimiento
Puede ser un espécimen
reconstituido o intacto
Esfuerzos de sitio con o sin
cargas estructurales
inducidas
• Presión de hinchamiento
• Potencial de hinchamiento, ya sea libre o bajo
condiciones de carga de campo
• Deformación de recarga después de hinchamiento

14. Pruebas de Expansión
Los resultados pueden clasificarse de acuerdo a su potencial
(Snethen, 1984):
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

15. Pruebas de Expansión
• ASTM D4829-21 Standard Test Method for Expansion Index of
Soils
• Se remoldea un espécimen de suelo a un anillo de dimensiones
especificas (D = 102 mm, H = 24.5 mm) y se deja a una saturación del
50%.
• Se aplica una sobrecarga de 6.9 kPa y se satura el espécimen y se
deja expandirse hasta que la tasa de hinchamiento alcance un valor
certero o se deja por 24 h.
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

16. Pruebas de Expansión
• ASTM D4829-21 Standard Test Method for Expansion Index of
Soils
• El porcentaje de hinchamiento libre se expresa como:
𝑠𝑤𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 % =
ℎ𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖ó𝑛
𝐻𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙
× 100
• La cantidad de hinchamiento se expresa en términos del índice de
expansión, Ei
𝐸𝐼 = 1,000
ℎ𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖ó𝑛
𝐻𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

17. Pruebas de Expansión
Los resultados pueden clasificarse de acuerdo al Índice de
Expansión:
(Wang, 2016 y Coduto, 2015)

18. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
• La difracción es el método más usado para identificar los
minerales de suelos de grano fino y su estructura cristalina.
• Los rayos X tienen longitudes de onda en el rango de 0.01 a
100 Å.
• Ya que los largos de onda de 1 Å son del mismo orden que el
espaciamiento de los planos atómicos en materiales cristalinos,
los rayos X son útiles para analizar estructuras cristalinas.
1 Å = Unidad de medida de longitud que equivale a la diezmillonésima parte de un milímetro.

19. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
• La identificación de la refracción de rayos X se basa en la ley
de Bragg, que involucra la reflexión de una onda que pasa por
los planos atómicos de un material y su ángulo de difracción
que es único para cada material.
• La refracción de rayos X tiene dos métodos principales:
• Método del polvo, que se usa una cantidad de muestra grande para
asegurarse que algunas de las partículas siempre estarán propiamente
orientada para producir una reflexión.
• Método del agregado orientado, donde las arcillas con forma de placas
se precipitan en una lámina de vidrio para mejorar su reflectividad.

20. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
Condiciones geométricas para la difracción de rayos X de acuerdo a la Ley de Bragg (Mitchell, 2005)
Rayo Incidente Rayo
Refractado
Planos
atómicos
Ancho de onda
Ángulo de refracción

21. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
• Los minerales de arcilla tienen un acomodo idóneo en para la
refracción de rayos X.
• Los planos basales de los minerales de las arcillas dan las reflexiones
más intensas por el empaquetamiento de los átomos en esos planos.
• Los minerales de arcilla se caracterizan por los reflejos en 7, 10
o 14 Å.
• Las arcillas se necesitan hidratar y volverse homoiónicas, así
que se suelen saturar con magnesio, Mg o potasio, K.

22. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
• Minerales Ilita: Se caracteriza por tener una distancia de planos
de 10 Å, que se mantiene fija en la presencia de líquidos
polares y después de secado.
• Minerales Esmectita (Montmorillonita): Este grupo es definido
por su carácter expansivo. Cuando se seca por aire, los
minerales tienen espaciamientos basales de 12 a 15 Å.
Despues de tratarse con etilenglicol o glicerol, las smectitas se
expanden a un valor de 17 a 18 Å. Cuando se secan por horno,
esta distancia se cae a 10 Å como resultado de la remoción del
agua intercapa.

23. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
• Minerales Vermiculita: Aunque es un mineral expansivo, su
gran ordenamiento intercapa resulta en menos variación en el
espaciamiento basal que en las esmectitas. Cuando se satura
con Mg, los estados de hidratación dan un juego discreto de
espaciamientos basales, resultando e un arreglo cambiante
pero ordenado de cationes de Mg y agua en el complejo
intercapa. Cuando se satura completamente, el espaciamiento
es de 14.8 Å, que se reduce a 11.6 Å cuando es calentado a
70°C. Toda la capa de agua se expulsa a 500°C, pero la
rehidratación es rápida en el enfriado. La dehidratación
permanente y el colapso a 9.02 Å se logra al calentarlo a
700°C.

24. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
• La determinación cuantitativa de la difracción de rayos X por
medio de los picos de difracción no es certero por las
diferencias en los coeficientes de absorción de masa de
diferentes minerales, orientación de partículas, pesos de
muestras, textura superficial de la muestra, cristalinidad de los
minerales, hidatación, etc.
• Los estimados son semi-cuantitativos a lo mucho, pero se
pueden mejorar considerando las diferenencias en absorción
de masa y comparación con mezclas conocidas.
• Suelos con 2 o 3 componentes minerales son más analizables
que los multiminerables.

25. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
Montmorillonita
(USGS, 2001)

26. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
Montmorillonita
(USGS, 2001)

27. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
Nontronita
(USGS, 2001)

28. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
Saponita
(USGS, 2001)

29. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
Vermiculita
(USGS, 2001)

30. Métodos de Caracterización – Difracción
Rayos X
Illita
(USGS, 2001)

31. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
• Los microscopios de electrones utilizan un haz de electrones
dirigidos para formar una imagen barriendo la superficie de la
sustancia a analizar y esta sustancia reemite algunas partículas
que el microscopio detecta y reconstruye en imágenes.
• En la microscopia eléctronica de barrido (MEB), se emiten
electrones secundarios de una forma de superficie de la
muestra en lo que aparenta ser imágenes tridimensionales.
• El MEB tiene una rango de resolución de x20 a x150,000 y una
profundidad de campo de x300 más que un microscopio de luz.
• Debido a estas resoluciones, se ha utilizado para el análisis de
arcillas.

32. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
Diagrama conceptual (LINAN) Equipo real de un MEB (UPV)

33. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una montmorillonita (bentonita) de Clay Spur, WY, el tamaño de la fotografía es 7.5 μm (Tovey, 1971)

34. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una montmorillonita de sodio de Clay Spur, WY (Keller, 1986)

35. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una montmorillonita de calcio de Chambers, AZ (Keller, 1986)

36. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una montmorillonita de calcio de Chambers, AZ (Keller, 1986)

37. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una beidelita, el tamaño de la fotografía es 6.7 μm

38. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una nontronita, el tamaño de la fotografía es 100 μm (Upasani, 2013)

39. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una Hectorita (Chen, 2019)

40. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una saponita (Budnyak, 2016)

41. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una Sauconita (Yokoyama, 2006)

42. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una Ilita de Morris, IL, el tamaño de la fotografía es 7.5 μm (Tovey, 1971)

43. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una ilita de Silver Hill, MT (Keller, 1986)

44. Métodos de Caracterización –
Microscopía Electrónica de Barrido
MEB de una vermiculita (Drelich, 2015)

45. Métodos de Caracterización – Análisis
Térmicos
• Este tipo de pruebas consiste en calentar simultáneamente una
muestra de prueba y una sustancia termalmente inerte a una
tasa constante (10°C/min) hasta 1000 °C y medir
continuamente la temperatura de la muestra y material inerte.
• La diferencia de temperaturas entre la muestra y la sustancia
inerte refleja reacciones en la muestra ocurridas por el
calentamiento.
• Análisis termogravimétricos se basan en cambios en el peso
causados por el peso de agua o CO2, o ganancia en oxígeno,
también se usan a cierto grado.

46. Métodos de Caracterización – Análisis
Térmicos
• Los resultados de los análisis térmicos diferenciales se
presentan como una gráfica de diferencia en temperatura entre
la muestra y el material inerte (ΔT) contra la temperatura.
• Esta gráfica se llama termograma.
• Se pueden tener las siguientes reacciones:
• Endotérmicas, donde el material adquiere calor.
• Exotérmicas, donde se livera claro.
• El análisis de los resultados consiste en comparar la curva de
la muestra con aquellos materiales conocidos para que cada
deflexión de la curva quede contada.

47. Métodos de Caracterización – Análisis
Térmicos
• Algunas de las reacciones que generan picos en el termograma
son:
• Dehidratación: El agua se encuentra presente en la masa de suelo en
3 formas (adicionalmente al agua libre):
• Agua adsorbida, removida de 100 a 300 °C.
• Agua intercapa (halloysita, esmectita expandida)
• Agua cristalina de iones hidróxido, destruye las estructuras minerales y es útil
para identificar minerales.
• Cristalización: Perdida de energía, reacciones exotérmicas, 800 a
1000 °C.
• Cambio de fases: Algunas estructuras cristalinas se modifican en altas
temperaturas.
• Oxídación: Reacción exotérmica, combustión de materia orgánica,
oxidación de Hierro, carbonatos.

48. Métodos de Caracterización – Análisis
Térmicos
Muestra
Horno
Termocople
Mufla
Temperatura de muestra
Diferencia de temperatura
(Pani, 2020)

49. Métodos de Caracterización – Análisis
Térmicos
Curva idealizada de un termograma
Endotérmico
Exotérmico
Arena de 2.0 – 0.05 mm
Arena de 0.25 – 0.10 mm
Limo de 0.05 – 0.002 mm
Arcilla de 2.0 – 0.2 μm
Arcilla de < 0.2 μm
(Tan, 1986)

50. Métodos de Caracterización – Análisis
Térmicos
Saturado con cationes de H+
(Tan, 1986)
Bentonita / Montmorillonita
Saturado con cationes de Ca2+
Saturado con cationes arcilla de calcio

51. Métodos de Caracterización – Análisis
Térmicos
(Tan, 1986)
Caolinita
Halloysita
Montmorillonita
Gibbsita
Allofanas
La montmorillonita exhibe una curva DTA
por pico endotérmico a baja temperatura
(100 – 200°C), un pico endotérmico entre
600 a 700°C, seguido por un pico
exotérmico débil entre 900 a 1000°C.
La vermiculita exhibe una curva DTA
similar a la montmorillonita, excepto por
una intensidad más fuerte en el quiebre
endotérmico en los 800 a 900°C y la
ausencia de la reacción endotérmica entre
600 y 700°C.
Vermiculita

52. Métodos de Caracterización – Análisis
Térmicos
(Tan, 1986)
Temperaturas de los picos endotérmicos y exotérmicos detectados en DTA de los
principales minerales de arcillas expansivas y las causantes de estos picos.

53. Métodos de Caracterización – Potencial
Hidrógeno
• Determinar la acidez o la alcalinidad de un suelo por un pH es
una medición sencilla con un medidor de pH o indicadores
especiales como papel tornasol.
• Los valores de pH dependen de la relación agua-suelo, por lo
que es importante usar una relación 1:1.
• Para suelos con alta plasticidad se necesitan una relación más
baja para poder trabajarla.

54. Métodos de Caracterización – Potencial
Hidrógeno
• Se tienen las siguientes clasificaciones:
• Ácidas: 0 – 7
• Neutras: 7
• Alcalinas: 7 – 14
• Esto varia de acuerdo a la temperatura del fluido de poro.
• Depende de la relación suelo-agua (1:1 a 1:10), presencia de
sales neutrales solubles y el CO2 en el aire.
• Se considera que una arcilla expansiva esta estabilizada al
alcanzar un valor de pH = 12.

55. Métodos de Caracterización – Capacidad
de Intercambio Cationico
• Un catión puede ser un nutriente, iones y moléculas cargadas
positivamente.
• La CIC es la cantidad de cationes que se pueden intercambiar
entre todos los elementos que están en una zona o ambiente
determinadado.
• En el CIC las partículas del suelo están cargadas, pero en
función del suelo va a haber tipo o tipos de cationes que
estarán disponibles para intercambiarse por los fluidos
presentes de la masa de suelo

56. Métodos de Caracterización – Capacidad
de Intercambio Catiónico
Principales cationes en el suelo
Cationes básicos Cationes ácidos
Nutrientes presentes en
cantidades pequeñas
Calcio (Ca 2+)
Magnesio (Mg 2+)
Potasio (K+)
Sodio (Na+)
Hidrógeno (H+)
Aluminio (Al 3+)
Amonio (NH4 +)
Hierro (Fe 2+)
Manganeso (Mn 2+)
Cobre (Cu 2+)
Estos van a modificar la distribución de iones H+ y OH- en el suelo, por lo tanto cambian su pH.
El CIC depende del contenido de arcilla, tipo de arcilla, pH del suelo y contenido de materia orgánica

57. Métodos de Caracterización – Capacidad
de Intercambio Cationico
Grupo de Arcillas
Formación
Mg2+/Al3+
Formación
Si+4/Al2+
Cationes Intercambiables
Grupo Caolin
Caolinian
Naorita
Anauxita
Tricotaedral
1:1
Si-Al
(Isoeléctricas)
Alta en magnesio, Mg
Bajo en potasio, K
Zeolitas
Clinoptilotitas
Aragonitas
Tectosilicatos
Dioctaedral
1:1
Si-Al
(Isoeléctricas)
Alta en calcio, Ca y/o sodio Na
Montmorillonitas
Esmectita
Bentonitas
Beidelitas
Dioctaedral
2:1
Si-Al-Si
(Polar, expandible)
Alta en calcio, Ca y/o sodio Na
Micas Hidratadas
Sepiolitas
Vermiculitas
Atapulgitas
Dioctaedral
Trioctaedral
2:1
Si-Al-Si
(Polar y/o dipolar)
(Expandible)
Alto en potasio, K
Bajo en magnesio, Mg
(Garrison, 1989)

58. Métodos de Caracterización – Capacidad
de Intercambio Cationico
Grupo de Arcillas
Capacidad de Intercambio
Catiónico (meq/100 g)
Montmorillonita 80 – 150
Beidellita N/D
Nontronita 110 - 150
Hectorita 17.5
Saponita 70 – 90
Sauconita N/D
Ilita 10 - 40
Vermiculita 100 - 150
(Mitchell, 2005)

59. Bibliografía
• Wang, J. X. (2016). Expansive soils and practice in foundation engineering. In Louisiana
Transportation Conference, Baton Rouge.
• Coduto, D. P., Kitch, W. A., & Yeung, M. C. R. (2015). Foundation design: principles and
practices (Vol. 2). USA: Prentice Hall.
• Holtz, W. G. (1969, August). Volume change in expansive clay soils and control by lime
treatment. In Proceedings of 2nd international research and engineering conference on
expansive clay soils (pp. 157-174).
• Chen, Y.L., 1988. Foundations on Expansive Soils. Elsevier Science Publishing Company Inc.,
New York, pp:714-728.
• Abduljauwad, S. N., & Al-Sulaimani, G. J. (1993). Determination of swell potential of Al-Qatif
clay. Geotechnical Testing Journal, 16(4), 469-484.
• ASTM D4546-21 Standard Test Methods for One-Dimensional Swell or Collapse of Cohesive
Soils
• ASTM D4829-21 Standard Test Method for Expansion Index of Soils
• Snethen, D. R. (1984, May). Evaluation of expedient methods for identification and
classification of potentially expansive soils. In Proceedings, 5th International Conference on
Expansive Soils, Adelaide (pp. 22-26)

60. Bibliografía
• Mitchell, J. K., & Soga, K. (2005). Fundamentals of soil behavior (Vol. 3). New York: John
Wiley & Sons.
• Poppe, L. J., Paskevich, V. F., Hathaway, J. C., & Blackwood, D. S. (2001). US Geological
Survey Open-File Report 01–041.
• Keller, W. D., Reynolds, R. C., & Inoue, A. (1986). Morphology of clay minerals in the
smectite-to-illite conversion series by scanning electron microscopy. Clays and Clay
Minerals, 34(2), 187-197.
• YOKOYAMA, S., TAMURA, K., HATTA, T., NEMOTO, S., WATANABE, Y., & YAMADA, H.
(2006). Synthesis and characterization of Zn-substituted saponite (sauconite). Clay
science, 13(3), 75-80.
• Tan, K. H., Hajek, B. F., & Barshad, I. (1986). Thermal analysis techniques. Methods of
Soil Analysis: Part 1 Physical and Mineralogical Methods, 5, 151-183.
• https://coursecontent.indusuni.ac.in/wp-content/uploads/sites/8/2020/05/UNIT-2.pdf
• https://soilquality.org.au/factsheets/h1-cations-and-cation-exchange-capacity-queensland