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ACCIÓN
ESTABILIZADORA
CIMENTACIONES.
DE
LODOS
BENTONÍTICOS
EN
J. Schmitter, B. Sánchez, J.A. Ponce, M. Orozco
Solum, S. A. México, D. F.
 Los lodos bentoníticos se emplean:
 Para obtener recortes del subsuelo producto de la perforación.
 Enfriar y lubricar las brocas de perforación
 Controlas las presiones subsuperficiales.
 Limpiar el fondo de la perforación.
 Mantener en suspensión los recortes al detener la circulación del fluido
 Mantener estables las paredes de la excavación o perforación, para
sondeos o pilas.
Actualmente se emplean lodos fraguantes que son mezclas de lodo bentonítico
con cemento, para las pantallas flexibles de las presas.
Pueden formas barreras impermeables para reducir las filtraciones o tapar los
veneros de agua.
Propiedades de los lodos.
Tipos de fluidos.
La proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte en régimen
laminar que presentan los fluidos, se pueden dividir en newtonianos y no
newtonianos.
Fluidos newtonianos.
Líquidos como el agua y los aceites minerales, donde el esfuerzo cortante es
directamente proporcional a la velocidad de corte, siendo la constante de
proporcionalidad 𝑛, denominada coeficiente de viscosidad.
𝑡
𝑛=
𝜀
 Donde:
 s = Esfuerzo cortante (Fuerza/Longitud al cuadrado)
 e = Velocidad de deformación (Longitud/Tiempo)
En este tipo de fluidos el coeficiente de viscosidad no se altera con los cambios de
esfuerzos y se conserva tanto si los líquidos han estado en reposo como si se han
agitado recientemente.
Fluidos no newtonianos.
Es cuando los líquidos no presentan una relación lineal entre el esfuerzo cortante
y la velocidad de corte, como las lechadas de agua – bentonita
Dentro de esta categoría hay fluidos en los que la relación mencionada es
independiente del tiempo, como los fluidos plásticos de BINGHAM, los
pseudoplásticos y los dilatantes, o bien depende del tiempo como en los fluidos
tixotrópicos.
Destaca el concepto de fluido plástico de Bingham, donde la relación entre el
esfuerzo cortante y la velocidad de corte es lineal, pero no pasa por el origen de
coordenadas, sino que tiene una ordenada positiva al origen en el eje de los
esfuerzos cortantes.
Los lodos bentoníticos en general se acostumbra considerarlos como
cuerpos de bingham. Fig 9.1
Viscosidad plástica y punto de cedencia
La viscosidad plástica (𝑛) es igual a la pendiente de la recta (t) en función de (𝜀),
se expresa en poises en el sistema CGS y tiene como dimensiones
(Fuerza)(Tiempo)/Longitud al cuadrado.
El punto de cedencia es la ordenada al origen (to), fig 9.1 de la curva de flujo, es el
valor mínimo del esfuerzo cortante para cual empieza a ocurrir el flujo. Sus
dimensiones son Fuerza/Longitud al cuadrado.
Estas propiedades se determinan en laboratorio con viscosímetros de tipo
rotacional que pueden medir las resistencias al esfuerzo cortante a velocidades de
600, 300, 200, 100, 6 y 3 revoluciones por minuto.
La viscosidad plástica de un lodo debe ser pequeña, con objeto de disminuir las
pérdidas de carga durante su manejo y permitir una separación adecuada de las
arenas que el lodo acarrea al salir del pozo.
A su vez conviene que no sea excesivamente baja ya que ello puede provocar,
durante un paro, sedimentación de las arenas en el pozo.
El punto de cedencia también define la penetración del lodo en la vecindad de la
perforación o zanja; al aumentar aquel se reduce su penetración.
Si el lodo se mueve en régimen laminar a velocidades bajas, el modelo de
Bingham no se cumple y es necesario sustituirlo con otro tipo de modelos como el
de la Ley de Potencias.
Densidad.
Es la cantidad de materia contenida en la unidad de volumen, se acostumbra
determinar en laboratorio mediante una balanza diseñada exprofeso, con un
recipiente para contener el lodo en un brazo y una escala con un contrapeso
deslizante en el otro. Se expresa en dimensiones de Fuerza/Longitud al cubo.
La densidad del lodo condiciona la estabilidad de las paredes que protege, bien
sea en perforaciones o en zanjas. Para aumentarla es necesario añadir al lodo
minerales inertes pesados como la barita.
Viscosidad Marsh.
Esta propiedad se mide en el cono del mismo nombre; se expresa en segundos
necesarios para que escurran 946 cm3 de lodo a través de un orificio calibrado.
Es una prueba de control de calidad, típica de obra, que proporciona un criterio de
reutilización o desecho para un lodo bentonítico dado, cuyas propiedades iniciales
son aceptables.
Esta prueba no es adecuada para determinar propiedades más específicas porque
varía en función de la viscosidad plástica, del punto de cedencia y de la densidad
del lodo.
Filtrado.
Parte del agua que se emplea en la elaboración de un lodo permanece libre entre
los granos sólidos. Al efectuar una prueba de filtrado es expulsada dejando un
residuo plástico llamado enjarre (cake).
Empleando fluidos de igual peso volumétrico que el lodo bentonítico pero que no
forman enjarre, no es posible lograr estabilidad de paredes excavadas.
El enjarre tiene importancia en la estabilidad de pozos o zanjas ya que crea una
membrana impermeable que permite se transmitan las presiones hidrostáticas de
la columna del lodo y evita derrumbes locales en las paredes.
Al aumentar el agua libre de un lodo cuya relación agua – bentonita sea constante,
aumenta el espesor del enjarre con lo cual disminuye su resistencia y se vuelve
menos eficiente para estabilizar paredes.
El agua libre se expresa en cm3 y el espesor del enjarre en mm.
Contenido de arena.
Se mide pasando el lodo por la malla 200 y se expresa como porcentaje del
volumen aparente de arena en relación al volumen total de lodo.
Al aumentar el contenido de arena de un lodo con relación agua – bentonita
constante, aumenta su volumen de agua libre.
Concentración de iones hidrógeno (pH)
Se ha comprobado que las propiedades del lodo varían notablemente en función
del pH medido.
En la figura 9.2 se presentan los resultados encontrados para la viscosidad
plástica y el punto de cedencia, al variar el pH. Las propiedades medias de lodos
empleados en perforación son las siguientes.
Preparación de los lodos bentoníticos.
Antes de elaborar lodo bentonítico en grandes volúmenes, aconsejable efectuar
ensayes de laboratorio de las materias primas (bentonita y agua) para definir su
proporción de mezclado y en su caso utilizar aditivos que constituyan un auxilio
para obtener propiedades adecuadas para su función.
Rendimiento de la bentonita.
Es usual definir el rendimiento de una bentonita como la cantidad de m3 de lodo
con viscosidad plástica de 15 cp que pueden prepararse con una tonelada de
bentonita.
Este rendimiento se determina experimentalmente, efectuando mezclas agua –
bentonita en diferentes proporciones, dejándolas reposar y determinando su
viscosidad plástica. Mediante una sencilla construcción gráfica se puede
establecer la proporción bentonita – agua, con la cual se logra una viscosidad
plástica de 15 cp y con esta proporción el número de m3 que se puede preparar
con 1 ton de bentonita.
Se ha comprobado que las propiedades físicas del lodo mejoran si la bentonita se
hidrata el tiempo suficiente (añejamiento), mínimo 24 horas para que la viscosidad
plástica y punto de cedencia aumenten y el agua libre disminuya, aunque el
espesor de enjarre permanece constante.
Se deben realizar pruebas de laboratorio a cada bentonita comercial.
Calidad del agua.
Si el agua contiene sales en solución, en particular calcio o magnesio, se afectan
notablemente las propiedades del lodo bentonítico al no lograrse hidratación de la
bentonita, e inclusive lo pueden inutilizar si no se emplean aditivos correctivos.
La selección del aditivo correctivo para hacer posible la elaboración del lodo
bentonítico debe efectuarse en base a análisis químicos y ensayes de laboratorio,
particulares a cada caso.
Acción estabilizadora.
Al construir pilas y muros colados in situ en suelos bajo el nivel freático, se hace
necesario el empleo de lodos bentoníticos para mantener estables las paredes del
suelo, durante la excavación, colocación del acero de refuerzo y colado con
concreto hidráulico.



La densidad del lodo interviene directamente en la presión de la columna de
lodo que estabiliza las paredes de la excavación.
El enjarre contribuye a la estabilidad, formando una película impermeable,
sobre la que actúa la presión del lodo.
La viscosidad y punto de cedencia ayudan a mantener en suspensión los
recortes de material durante la excavación, con lo que se impide la
formación de azolves indeseables bajo el apoyo de pilas y muros colados in
situ.
Estabilidad de zanjas.
La acción estabilizadora de los lodos en zanjas puede analizarse con el auxilio de
las teorías de Rankine para el caso de empujes activos en suelos.
El principio del análisis en comparar el empuje activo del suelo (EA) más el
hidrostático (EH) con el fluido bentonítico (El) y asegurar que este último sea
siempre mayor.
En términos algebraicos se expresará:
Con las expresiones (1) y (2) se podrá valuar el FS y el peso volumétrico del lodo,
necesarios para estabilizar una zanja.
Las expresiones 3 a 8 permiten determinar el peso volumétrico de diseño del lodo,
en función de la geometría de la excavación, las propiedades del subsuelo y las
condiciones hidrostáticas del mismo.
Estabilidad de perforaciones
Para el análisis de estabilidad que puede proporcionar una columna de lodo
bentonítico a una perforación circular, en terreno inestable, pueden usarse las
teorías para calcular esfuerzos en paredes de túneles o en lumbreras verticales.
La selección del peso volumétrico del lodo, adecuado para estabilizar una
perforación dada, deberá elegirse en función de la zona plastificada, la cual a su
vez es función de Np.
Es decir:
Conclusiones.
1. Se concluye que los lodos bentoníticos son una buena herramienta de
trabajo en la aplicación de obras de Ingeniería Civil.
2. Las propiedades físicas que debe tener un lodo para fines de Ingeniería
Civil, se requiere más investigación, como la pérdida de adherencia del
acero de refuerzo sumergido en lodo bentonítico, la tecnología de lodos
fraguantes, la resistencia del enjarre y su contribución a la estabilidad de las
paredes.
3. El análisis de estabilidad de trincheras y perforaciones excavadas bajo lodo
bentonítico, empleando las teorías de Rankine en el primer caso y de la
elasticidad y plasticidad aplicadas a túneles, en el segundo, parecen ofrecer
un enfoque realista al problema.
4. En materiales puramente friccionantes, la estabilidad es independiente de la
profundidad de excavación, pero depende del ángulo de fricción interna del
material, del nivel freático y del lodo; de los pesos volumétricos del suelo y
del lodo.
5. En los suelos cohesivos depende de la profundidad de excavación, de la
cohesión, del nivel freático y del lodo, de los pesos volumétricos del suelo y
del lodo.
6. Tratándose de suelos estratificados, puede emplearse el principio de
análisis propuesto, determinándose la envolvente de empujes activo e
hidrostático del subsuelo y comparándolo con el empuje del lodo.