Las partículas de tierra arcillosa tienen una carga neta negativa. El potencial de expansión es alto y la capacidad de soporte es baja. Las moléculas de H20 son dipolos alineados de tal manera que forman cadenas. Cuando el agua se pone en contacto con las partículas de suelo negativamente cargadas, las moléculas de H20 se alinean en cadenas creando varias capas alrededor de cada partícula de tierra. Iones de metales (en rojo) también se adhieren a las partículas de tierra o son retenidas entre las capas de agua absorbida.

La figura siguiente muestra una gráfica generalizada de la estructura de una partícula de arcilla montmorilonítica:

Estructura de la arcilla expansiva (Montmorilonita)

La aplicación de la mezcla muy diluida del estabilizador EcSS 3000 colapsa la doble capa difusa por el proceso de sustitución de cationes tanto en la estructura de la capa exterior como en la misma doble capa difusa adjunta a la superficie con carga negativa de la partícula de arcilla. Este proceso además del incremento en la densidad de cationes junto a la superficie de la partícula de arcilla, colapsa la doble capa difusa la que reduce las fuerzas repulsivas entre partículas contiguas e incrementa las fuerzas de atracción entre las partículas de arcilla. El efecto final de esta reacción es una tendencia para que la estructura de partícula de arcilla se transforme de una estructura dispersa a una estructura mas compacta y con un potencial de hinchamiento mucho menor.

Existe mucha investigación realizada sobre el estabilizador de suelos EcSS 3000 en la Universidad de Texas en Austin (Texas A&M) y en la Universidad Estatal de Pennsylvania (Penn State). Esta investigación es presentada en la sección de 'documentos' de este sitio WEB.

Un resumen de esta investigación es presentada a continuación:

• Carta reporte del Dr R. Malek, Director del Laboratorio de Caracterización de partículas, Instituto de investigación de materiales, Universidad Estatal de Pennsylvania en University Park. PA 16802, “Efecto del estabilizador EcSS 3000 en arcillas expansivas”, Noviembre 9, 2004.
• EcSS 3000 incrementa la fuerza iónica en el área de inyección, lo que resulta en:
• Sacar agua de otros lados por medio de osmosis pero esta agua permanece libre (móvil). Esto es, no emigra a los espacios ínter laminares.
• Bajando el espesor de la doble capa manteniendo menos agua para el intercambio en los espacios ínter laminares de la arcilla.
• Los elementos solubles en EcSS 3000 absorben agua en la superficie de la arcilla generando un efecto electrostérico. Además un ambiente hidropónico es creado en la superficie de la partícula lo que tiende a repeler el agua.
• Hay una tendencia hacia el cambio en la ocupación de Al entre la alta hacia baja en las láminas de sílices, resultando en cambios estructurales en la arcilla expansiva:
• Baja en la carga negativa (evidencia: potencial Zeta) y
• Desestabilización de las láminas de sílices.
• Sarkar, Shondeep L., Herbert, Bruce E., y Scharlin, Russell J., Agosto 5, 2000 “Estabilización por Inyección de Arcillas Expansivas usando un Químico Intercambiador de Iones de Hidrógeno”, ASCE, Avances en Geotécnicas Insaturadas.
• Falta de picos identificables de esmactitas en el área tratada con el intercambiador iónico de hidrógeno.
• El tratamiento de muestras de arcillas redujo el Potencial Zeta en un 32% en comparación con muestras sin tratar. El Potencial Zeta es una medida de la carga negativa en la arcilla y en la superficie de la arcilla. Al reducir el Potencial Zeta se considera que la capa difusa doble también se reduce.
• Análisis de iones solubles de Al y Fe soporta la hipótesis que el tratamiento con el químico intercambiador de iones de hidrógeno cambia la química de la superficie de las arcillas por medio de un complejo proceso de precipitación – disolución; el bajo pH puede ser un factor que contribuye. El tratamiento de la arcilla con el Químico Intercambiador de Iones de Hidrógeno redujo la cantidad de iones de Al en un 43 % e incrementó la cantidad de iones de Fe soluble en un 173 %.
• El examen por medio del Microscópico Ambiental de Escaneo de Electrones muestra que no ocurren cambios morfológicos en las muestras tratadas con la solución del Químico Intercambiador de Iones de Hidrógeno pero el hinchamiento es evidente en las muestras tratadas únicamente con agua.
• El examen por medio del Microscopio de Transmisión de Electrones reveló que el patrón de difracción cristalina de electrones de las esmactitas en la muestra tratada es reemplazada por halos difusos, implicando un cambio en la estructura de la arcilla por una estructura no cristalina o amorfa.
• En todo el manejo de muestras durante todo el proceso, las muestras tratadas fueron fácilmente reconocidas por tener un comportamiento diferente a las sin tratar. Las muestras sin tratar eran mucho más pegajosas que las tratadas que eran más difíciles de dispersar.
• La conclusión dominante de este estudio es las muestras tratadas con el químico intercambiador de iones de hidrógeno exhiben un cambio en las caracteristicas cristalográficas del suelo, lo que puede estar asociado al cambio en el comportamiento de hinchamiento de las arcillas expansivas.
• Carta Reporte de Sakar and Asociatess, Inc., Texas Transportation Institute a Environmental Soil Stabilization Ltd., “Estudio de Angulo Mágico NMR de Arcilla Bentonitica Tratada por ESSL” Setiembre 23, 2002
• El resultado de la resonancia espectroscopia nuclear de ángulo mágico revolutivo muestra la pérdida de Al en las láminas tetraédricas de las muestras tratadas con EcSS 3000. La pérdida del Al tetraédrico indica una desintegración de las láminas de aluminio sílice. Adicionalmente aparece un nuevo pico en el cambio químico de –76 ppm correspondiente a los grupos terminales de láminas de aluminio sílice. La aparición del pico indica la desintegración de las grandes láminas de aluminio sílice a pedazos más pequeños.
• Carta reporte de Dr. R. Malek, , Director del Laboratorio de Caracterización de partículas, Instituto de investigación de materiales, Universidad Estatal de Pennsylvania en University Park. PA 16802, Abril 11 del 2005.
• El estabilizador de suelos EcSS 3000 está sacando o sustituyendo los átomos de Al fuera de las láminas exteriores tetraédricas que reduce la carga negativa de la partícula de arcilla lo que estabiliza el suelo. Este proceso es irreversible pues introducir los átomos de Al de vuelta, requiere una exposición del suelo a un largo proceso de alteraciones bajo condiciones dramáticas de temperatura y presión, que no están presentes en los suelos naturales.

La siguiente figura fue desarrollada por el fabricante de EcSS 3000 para enseñar la reacción electroquímica que ocurre cuando EcSS 3000 es aplicado a las arcillas expansivas: