Arcillas expansivas en túneles: potencial de la espectrometría Raman

Abstract

RESUMEN: Las arcillas expansivas, como las del grupo de las esmectitas, representan un desafío importante en la construcción de túneles, debido a su capacidad de hincharse o contraerse frente a cambios en las condiciones de humedad. Estas variaciones pueden provocar deformaciones significativas en la estructura, que, si no se consideran adecuadamente durante el diseño, pueden derivar en problemas geotécnicos graves. Este trabajo, que hace parte de un Trabajo de Fin de Máster del máster en Ingeniería Geológica, evalúa el potencial de la espectroscopía Raman como herramienta para la identificación de arcillas expansivas, con el objetivo de explorar alternativas más eficientes y rápidas frente a los métodos tradicionales de caracterización mineralógica. A través del análisis de cuatro muestras arcillosas (MA, AT3, LMI y MC5), se comprobó que la técnica permite identificar fases minerales no expansivas, como el cuarzo o los carbonatos. Sin embargo, su aplicación a minerales arcillosos se vio limitada por problemas de fluorescencia y baja intensidad de señal, especialmente en aquellas muestras con composiciones heterogéneas. Aunque la difracción de rayos-X (DRX) continúa siendo la técnica de referencia para este tipo de estudios, la espectroscopía Raman presenta un potencial prometedor para realizar análisis rápidos, in situ y sin preparación previa de las muestras, lo cual resulta especialmente útil en el contexto de obras subterráneas. Con futuras mejoras en los equipos y una ampliación de las bases de datos espectrales específicas para minerales arcillosos, esta técnica podría consolidarse como una herramienta complementaria de gran utilidad en la geotecnia.

ABSTRACT: Expansive clays, such as those from the smectite group, pose a significant challenge in tunnel construction due to their tendency to swell or shrink in response to changes in moisture conditions. These volume changes can cause structural deformations which, if not properly considered during design, may lead to serious geotechnical issues. This project, developed as part of a master’s Thesis in Geological Engineering, evaluates the potential of Raman spectroscopy as a tool for the identification of expansive clays, with the aim of exploring more efficient and faster alternatives to conventional mineralogical characterization methods. Through the analysis of four clay-rich samples (MA, AT3, LMI, and MC5), the study confirmed that Raman spectroscopy is effective in identifying non-expansive crystalline phases, such as quartz and carbonates. However, its application to clay minerals proved more challenging, primarily due to high fluorescence and low signal intensity, especially in complex mixtures or samples containing organic matter. While X-ray diffraction (XRD) remains the standard technique for identifying expansive clays, Raman spectroscopy shows promising potential for rapid, in-situ analyses without the need for sample preparation, an advantage particularly relevant in tunnels construction. With continued advancements in instrumentation and the development of more comprehensive spectral databases for clay minerals, Raman spectroscopy could become a valuable complementary tool in geotechnical engineering.