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Accede a apuntes, guías, libros y más de tu carrera 3estabilización De Suelos 62 pag. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com ESTABILIZACIÓN DE SUELOS Gianfranco Perri 2007 CONTENIDO INTRODUCCIÓN ESTABILIZACION MECÁNICA (CON MEZCLAS) DE SUELOS ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CEMENTO ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON ACEITE SULFONATO Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com ESTABILIZACIÓN DE SUELOS Gianfranco Perri 2007 En las obras de ingeniería, cuando un suelo presenta resistencia y rigidez suficientes para no sufrir deformaciones ni desgastes inadmisibles por la acción del uso o de los agentes atmosféricos y conserva además esta condición bajo los efectos climatológicos normales propios de la localidad, se dice que el suelo es estable. El suelo natural a veces posee la composición granulométrica y la plasticidad así como la humedad necesarias para que, una vez apisonado, presente las características mecánicas que lo hacen utilizable en las obras de ingeniería como base de apoyo o de tránsito. Otras veces, los suelos naturales no posen tales condiciones y para ser empleados en las obras de ingeniería requieren ser previamente estabilizados. En general puede decirse que casi todos los suelos pueden ser estabilizados, pero para ello solamente en algunos casos es suficiente un tratamiento mecánico (densificación o compactación) de los mismos suelos naturales, mientras en otros casos la estabilización se logra solamente recurriendo a aportaciones de otros suelos o de otros elementos (por ejemplo cemento, cal, aceites sulfonatos, cloruro de sodio, etc.) por lo general en adición y previamente al necesario e inevitable tratamiento mecánico. Estabilización mecánica, es aquella con la que se logra mejorar considerablemente un suelo sin que se produzcan reacciones químicas de importancia sino solamente cambios físicos en el mismo. Hay varios métodos como lo son: la compactación; la mezcla de suelos; la interposición de geosintéticos. Estabilización química, es aquella que recurre a la utilización de ciertas sustancias químicas cuyo uso involucra la sustitución de iones metálicos y cambios en la constitución de los suelos involucrados en el proceso. Entre las sustancias más comúnmente utilizadas en la estabilización química de los suelos, son más frecuentes: el cemento Pórtland; la cal; el aceite sulfonato; los productos asfálticos; el cloruro de sodio o de calcio. Cemento Portland: aumenta la resistencia de los suelos y se usa principalmente para arenas y gravas finas, arenas muy arcillosas, arcillas muy arenosas.. Cal: disminuye la plasticidad de los suelos aumentando al mismo tiempo su resistencia y se usa principalmente para las arcillas y suelos muy arcillosos en general. Aceite Sulfonato: disminuye la afinidad al agua de los suelos finos aumentando su resistencia y se usa principalmente para las arcillas y suelos muy arcillosos en general. Productos Asfálticos: asignan cohesión a los suelos granulares y son usados para todo suelo granular con muy poca cohesión o sin cohesión. Cloruro de Sodio o de calcio: impermeabilizan y disminuyen los polvos y son usados principalmente para arcillas y limos. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com ESTABILIZACION MECÁNICA (CON MEZCLAS) DE SUELOS Gianfranco Perri 1. INTRODUCCIÓN A menudo, las plataformas directamente y simplemente conformadas por los suelos que se encuentran en el lugar de la obra de tierra a construir o en sus alrededores, no poseen las condiciones físico-mecánicas que son necesarias para que puedan soportar adecuadamente las cargas a que han de estar sometidas, durante la vida útil de la obra misma. La capacidad de carga de una plataforma de suelo, ligada esencialmente a la resistencia al esfuerzo cortante del suelo con el cual está conformada, depende esencialmente de dos propiedades del mismo: a) de su fricción; y, b) de su cohesión. La cohesión es característica dominante de los suelos finos cohesivos, las arcillas y los limos, mientras que la fricción lo es de los suelos gruesos granulares, las arenas y las gravas. De la proporción en que se encuentran ambas fracciones en un suelo específico, depende esencialmente el valor de su capacidad de carga. Estabilizar un suelo significa aumentar su calidad mecánica, bien sea en relación con la citada capacidad de carga y bien sea con la otra fundamental característica mecánica de una plataforma de suelo: su rigidez. Estabilizar un suelo con el cual conformar una plataforma de uso, por lo tanto significa incrementar la capacidad de carga y la rigidez de la plataforma, hasta alcanzar valores compatibles con el correspondiente uso. Una buena definición de estabilización se debe a C.A. Hogentogler: �Estabilización de un suelo es el procedimiento por medio del cual se le da a los suelos suficiente resistencia adhesiva y/o de fricción y por lo tanto resistencia al esfuerzo cortante para soportar las cargas bajo condiciones de clima dominante sin que, además, se produzca deformación perjudicial de la estructura de la plataforma, de acuerdo al uso previsto�. Aunque es ciertamente muy importante el aspecto en si de la estabilidad de una plataforma de suelo relativa a la falta de marcados cambios de volumen (deformación) del sistema bajo la acción de las cargas, se observa que una elevada rigidez va por lo general aparejada con una elevada resistencia al corte del suelo, por lo que en principio y en la práctica se hace generalmente referencia más directamente a la evolución de esta propiedad de resistencia, cuando se trata de la estabilización de un suelo. Por lo general se considera que la resistencia al corte se debe a uno o ambos elementos, a saber: fricción y cohesión. Para que un suelo falle, las partículas que se encuentran en el plano de corte dentro de la masa del suelo deben moverse sobre las partículas opuestas. La facilidad o dificultad de movimiento, depende de la facilidad o dificultad de crear un espacio que permita dicho movimiento. La presión del material que se apoya sobre la superficie de deslizamiento, se opone a este incremento de volumen. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Debido a esta circunstancia, la resistencia al corte de suelos que sólo poseen fricción puede expresarse con el producto de la presión normal sobre el plano de corte y un coeficiente del material, conocido normalmente como coeficiente de fricción interna de los materiales sin cohesión. La otra componente de la resistencia al corte en cambio, la cohesión de un suelo, depende de la cantidad y características físico-químicas de sus partículas finas, como también de su contenido de humedad y por esto, cuando de cohesión se habla, debe considerarse: - que la cohesión del suelo está ligada íntimamente a su afinidad por el agua y, - que bajo determinado contenido de humedad y densidad un suelo cohesivo normal puede resistir cargas relativamente pesadas, pero tal capacidad decrece enormemente y hasta puede desaparecer totalmente, si el contenido de humedad aumenta; - que si se desea utilizar las buenas cualidades ligantes de un suelo cohesivo, deberá contrarrestarse su afinidad por el agua aunque, sin destruirla totalmente. Para corregir las características originales del suelo cuando éstas no son aceptables y proporcionarles la estabilidad deseada, se utilizan diferentes técnicas de estabilización, cuya clasificación responde, a veces, a los métodos de trabajo, y otras, a los productos de adición empleados como correctores. En este orden de ideas se distinguen: - La estabilización mecánica, consiste en determinar en el suelo una distribución ordenada desus partículas mediante la mezcla de suelos con diferentes propiedades, con lo cual se logre luego la estabilización mediante la simple y oportuna compactación con la correspondiente humedad adecuada. - La estabilización físico-química, consiste en determinar el cambio de las propiedades del suelo por efectos químicos, mediante la adición de cementos, cales, cloruros, materiales bituminosos, productos tenso-activos, resinosos, etc. - La estabilización por métodos que no precisan la mezcla o la adición de productos, sino que simplemente se logra por medio de tratamientos térmicos, eléctricos, etc. Todo método práctico de estabilización puede involucrar uno, dos o, inclusive todos los principios que se han expuesto, aunque los que se aplican en los dos primeros grupos descritos son ampliamente los de uso más frecuente en la construcción de obras de tierra para infraestructuras de transportes. Haciendo ahora referencia específica a la estabilización mecánica de los suelos, los dos principales objetivos que con aquella se persiguen son: - Hacer el suelo tan denso como sea posible. - Impedir que la película de humedad adherente a las partículas finas cambie después de haber aplicado aquella humedad que hace posible la mayor densidad. Dentro de este orden de ideas la estabilización mecánica de los suelos se logra, además que obviamente compactándolos al final con el correcto contenido de humedad, bien sea con la incorporación de materiales granulares a los suelos que sean naturalmente esencialmente arcillosos, o bien sea con la añadidura a los suelos que sean naturalmente esencialmente granulares, de aglutinantes arcillosos. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Así pues queda establecido que la función primordial de la estabilización mecánica de suelos es la combinación efectiva del esfuerzo mecánico de fricción de los materiales granulares o agregados con el esfuerzo cohesivo de los materiales ligantes o arcillosos para mantener la requerida estabilidad de una mezcla densa de partículas de suelos. El granular friccionante puede ser arena, piedra triturada o cualquier otro material granular resistente; el ligante cohesivo consiste de suelos finos, tales como arcilla o limo. Todos los sistemas exitosos para estabilizar mecánicamente los suelos deben lograr que: - El material básico a emplear sea el suelo en el estado natural en que se encuentra en el sitio, incorporándole otros materiales igualmente presentes en el sitio o, trasportándole otros materiales desde depósitos suficientemente cercanos. - La plataforma conformada desarrolle suficiente resistencia al corte con al mismo tiempo suficiente rigidez, para que pueda soportar satisfactoriamente las cargas que le sean aplicadas. - El suelo estabilizado resista la acción de las cargas y de los agentes atmosféricos, conservando a lo largo de su vida útil, sus propiedades mecánicas logradas. A manera de conclusión y resumen general: - La estabilización mecánica depende de la fricción interna y de la cohesión que pueden desarrollarse mezclando adecuadamente distintos tipos de suelos y luego usando éstos en la compactación de construcción de la obra de tierra. - Los suelos a mezclar deben por lo tanto ser partes de grano grueso y partes de grano fino, ya que los suelos de granos gruesos, como las gravas y arenas, poseen fricción interna relativamente alta, mientras que los suelos de partículas finas, como los limos y arcillas, poseen cohesión cuando no excesivamente mojados y escasa fricción interna excepto cuando están secos siendo pero imposible mantener estos materiales siempre secos en las obras de infraestructura. - Adicionalmente, un suelo que finalmente contenga partículas de todos los tamaños, tiene mayor fricción que otro que está compuesto de partículas de muy distintas dimensiones de las que le rodean y en consecuencia ofrecerá mayor resistencia a cualquier movimiento. - El éxito de la estabilización mecánica está en utilizar la gran estabilidad mecánica que poseen los suelos gruesos en su estado más denso, haciendo para ello uso de los suelos finos ligantes para mantener mediante la oportuna compactación tal contribución mecánica de los primeros. - Al tener presente que el suelo ligante tiene gran afinidad por la humedad y se expande cuando el agua excede dentro de la mezcla, es esencial que la cantidad de suelo ligante, prácticamente de arcilla, sea suficiente para ser beneficiosa y al mismo tiempo, sea lo suficientemente baja, para no sobrellenar los vacíos del suelo granular grueso y en consecuencia, no reducir excesivamente la densidad y resistencia del suelo estabilizado, así como gráficamente ilustran los esquemas de las dos figura que siguen: el contenido óptimo del fino aumenta a medida que disminuye el tamaño máximo del grueso. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com ESTABILIZACIÓN MECÁNICA DE SUELOS: COMPONENTES DE LA MEZCLA Y SUS FUNCIONES Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com EFECTOS DEL CONTENIDO DE FINOS SOBRE RESISTENCIA Y DENSIDAD DE LA MEZCLA Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com 2. MATERIALES A continuación se comentan las propiedades y características de los diferentes componentes de suelos que pueden potencialmente concurrir a la conformación de un suelo estabilizado mecánicamente: los suelos granulares gruesos, arenas y gravas y los suelos cohesivos finos, limos y arcillas. a.) Suelos gruesos El material granular retenido en el tamiz N° 200 es el material básico en la construcción de las estructuras de un suelo estabilizado, pues está destinado a soportar los esfuerzos principales que se aplican a la obra de tierra y que se difunden desde la superficie al interior del volumen de suelo que constituye la estructura. La posibilidad de selección puede ser amplia o reducida, según el sitio de la obra. Se puede emplear en principio cualquier material de naturaleza granular que no se ablande mucho cuando se humedece y que no se quiebre por la acción de las cargas; sin embargo, los mejores gruesos son los agregados formados por partículas duras, angulosas y duraderas. En este orden de ideas, los gruesos más universalmente deseados resultan ser, en el orden: la piedra triturada, la grava y la arena. Generalmente el producto más costoso es la piedra picada y por lo tanto, es una gran ventaja si hay grava cerca de la obra, que es el material grueso granular proveniente de la desintegración natural de las rocas por la acción de las corrientes de agua. Se forman depósitos naturales tanto en las regiones glaciales como en las que no lo son. Las partículas son redondeadas y de superficie lisa. El material gravoso (granzón) tal como se saca del yacimiento (préstamo), es una mezcla natural de grava, arena, limo y arcilla, que es a veces tan bueno, que se puede usar haciéndole solamente pequeñas correcciones. Tales yacimientos son más frecuentes en las zonas glaciales. Los depósitos de grava y arena en ríos y quebradas, son fuentes excelentes de aprovisionamiento de gruesos. Se caracterizan generalmente estos materiales por la presencia de partículas redondeadas distribuidas generalmente con alguna uniformidad en el conjunto de diversos tamaños. Las arenas son materiales de tipología muy variable y son relativamente abundantes en muchas regiones. Se pueden encontrar limpias o, mas a menudo, mezcladas con las gravas y con ciertas porciones de finos, formando el antes llamado �granzón�. Al elegir los materiales granulares se deben estudiar y ensayar para asegurar que sean aptos para el tipo especifico de obra a realizar. Las características que generalmente se consideran de importancia para los componentes gruesos de la mezcla, son: 1. Restricción de sustancias indeseables. Se incluyenentre ellas los materiales blandos y perjudiciales tales como las rocas meteorizadas, el carbón y la mica. Si existen en cantidades excesivas hacen disminuir la resistencia y la durabilidad de la obra. 2. Resistencia al desgaste. Un grueso apto para componente de mezclas estabilizadas en la construcción de obras de tierra, debe estar compuesto por partículas duras y que no se desintegren fácilmente por la acción de las cargas. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com 3. Durabilidad. Requisito importante de los componentes gruesos es la durabilidad, o aptitud para resistir la acción de carga e intemperie sin romperse o descomponerse. Las partículas de agregados que son físicamente débiles, sumamente absorbentes, de clivaje muy marcado o que se hinchen cuando se saturan de agua son susceptibles de partirse cuando están expuestas a las inclemencias del tiempo. 4. Tamaño máximo. Hay una variedad considerable de criterios y parámetros de referencia en lo que respecta al tamaño máximo de los gruesos para mezclas estabilizadas, incluyendo a los mismos equipos que se emplean en la construcción de la obra. Las especificaciones para terraplenes indican que no se deben emplear tamaños mayores de cuatro de pulgadas, aunque resultados óptimos se logran con tamaños inferiores a dos pulgadas. 5. Forma de las partículas. El comportamiento de una obra de tierra estabilizada depende en cierta medida también de la forma de las partículas. La estabilidad, la densidad y la durabilidad aumentan si hay una buena trabazón entre las partículas. Cuanto más angulosas y más rugosas sean las partículas que forman los gruesos, más efectiva será su trabazón, y mejor se comportará el conjunto terminado. 6. Granulometría. Los gruesos de las mezclas deben estar bien gradados, es decir que los distintos tamaños de partículas deben estar bien representados, desde los más gruesos hasta los menos gruesos, ya que la experiencia ha demostrado que los materiales bien gradados se compactan más fácilmente que las mezclas de mala gradación y presentan por lo general mayor estabilidad después de la compactación. b.) Suelos finos El limo y la arcilla forman la fracción fina de una mezcla, esto es la fracción que pasa por el tamiz N° 200. Las funciones principales de la fracción fina en una mezcla estabilizada mecánicamente, son: - Llenar los vacíos que quedan entre las partículas del grueso. - Cementar las partículas gruesas formando una masa densa resistente y duradera. Como relleno, ayudan a aumentar la densidad del material, la impermeabilidad y la capacidad de soportar cargas. Como ligante, proporcionan la útil y necesaria cohesión. El limo y la arcilla son estables cuando están relativamente secos, pero pierden la estabilidad cuando se humedecen. Pequeñas cantidades de agua sirven como agente ligante efectivo para los granos gruesos, pero el agua en exceso actúa como lubricante. Además, los materiales finos que contienen arcilla muy activa pueden hincharse hasta multiplicar varias veces su volumen seco en presencia de agua adicional, destruyendo en consecuencia el acomodamiento adecuado de las partículas del grueso y por tal motivo debe, en principio, evitarse su empleo en las mezclas estabilizadas. El contenido de limo y arcilla de la mezcla debe ser suficiente para impartir cohesión adecuada sin exceder, referencialmente, el volumen de vacíos del agregado. En otras palabras, la cantidad de suelo ligante, debe ser suficiente para ser beneficiosa y al mismo tiempo, debe ser lo suficientemente baja, para no sobrellenar los vacíos del suelo granular grueso y por lo tanto, para no reducir excesivamente la densidad y resistencia del suelo estabilizado. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com 3. MEZCLAS La tabla anexa muestra ejemplos de distribuciones granulométricas estructuralmente óptimas, de acuerdo con las especificaciones AASHTO M147-57. Sin embargo, aunque los requerimientos de gradación establecidos en esta tabla son bastantes amplios, en la práctica de la construcción de terraplenes, tales distribuciones deben ser consideradas solo referenciales y no vinculantes, ya que muy a menudo no es posible satisfacerlas completamente, especialmente en lo relativo al máximo contenido de finos el cual es sin embargo recomendable que no supere el 35%, así como efectivamente lo establece la Clasificación AASHTO M145, aunque en todos los casos la fracción que pasa por el tamiz N° 200 es recomendable que no sea mayor que los 2/3 de la fracción que pasa por el tamiz N° 40. En las seis distribuciones granulométricas reportadas en las especificaciones de la AASHTO, que se refieren a las mezclas formadas por piedra triturada, grava con arena natural o triturada y partículas minerales finas que pasan por el tamiz N° 200, los límites fijados ciertamente aseguran una distribución bastante uniforme de los diversos tamaños de partículas de grueso a fino y en consecuencia un comportamiento mecánico óptimo para las correspondientes mezclas estabilizadas. Naturalmente las mezclas estabilizadas mecánicamente, además de las ya referidas especificaciones granulométricas, deben también cumplir las especificaciones plásticas de la fracción fina y para ello, puede en principio hacerse referencia a las condicionantes establecidas en la antes citada Clasificación AASHTO M145, en cuanto a los valores característicos del límite líquido e índice plástico. Con el objeto de producir una mezcla estabilizada mecánicamente que cumpla satisfactoriamente con las exigencias y especificaciones particulares de una determinada obra de tierra, se deben determinar las proporciones relativas en que los componentes deben mezclarse, intentando en principio que las mezclas satisfactorias se obtengan con un número mínimo de materiales (posiblemente 2). Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Para ello, una vez que se conozca la naturaleza y ubicación de los materiales que constituyen los potenciales componentes de la mezcla, lo primero que se debe hacer es proceder a la correcta descripción y cuantificación de las correspondientes propiedades granulométricas y plásticas. Luego, se puede proceder siguiendo por lo menos dos posibles distintas metodologías de diseño de la mezcla, así como se comenta a continuación. En un caso, superponiendo las curvas granulométricas de los materiales naturales disponibles con los límites granulométricos de las especificaciones, se puede cualitativamente deducir si es factible alcanzar una mezcla aceptable con los materiales disponibles y que materiales (si se dispone de diferentes) deben en principio mezclarse para ello (ver el ejemplo de la figura). Las proporciones relativas de los materiales se suelen determinar inicialmente por métodos indirectos de cálculo (ver más adelante) y luego en el laboratorio, se realizan las combinaciones de prueba con las cuales la proporción de los distintos materiales se va ajustando hasta que se cumpla con los requisitos granulométricos exigidos. Finalmente se determina el índice de plasticidad y el límite líquido de la mezcla de prueba alcanzada y se comparan con los respectivos valores previstos por las especificaciones para comprobar la aceptación definitiva de la mezcla. Otro método que se emplea frecuentemente es el de determinar la mezcla de prueba en base a las características plásticas de los materiales disponibles. En este caso, después de diseñada a priori la mezcla, las proporciones se van ajustando de manera tal que el índice de plasticidad de la mezcla resultante se encuentre dentro del valor aceptado. A continuación se presentan dos ejemplos de ajuste de mezcla de suelos, siguiendo uno y otro de los dos procedimiento descritos. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.comSelección de mezcla en base a la granulometría Se representan los porcentajes granulométricos de los dos materiales a mezclar en las dos ordenadas del plano cartesiano de referencia (ver la figura anexa) y los puntos que corresponden a la composición granulométrica de cada uno de estos materiales se unen con rectas que se denominan líneas de tamices y que representan la correspondiente ley de variación lineal: si α y β son los porcentajes de los dos materiales que pasan por un determinado tamiz, y si (x) es el porcentaje de uno de los dos materiales de la mezcla mientras (y) es el porcentaje del otro material de la mezcla, existe la ecuación siguiente: ( )xxy −+= 100 100100 βα La ordenada de cualquier punto de las líneas tamices representará el porcentaje del material mezclado que pasa por sus tamices correspondientes y las proporciones de los dos materiales que componen la mezcla están en las abscisas superiores e inferiores. Para un mejor empleo del método, se dibujan las especificaciones de la mezcla requerida a un lado de las ordenadas y desde sus extremos se trazan horizontales de los porcentajes permisibles superior e inferior que pasan por cada tamiz hasta interceptar las líneas de tamices. Estos puntos de intersección indican las proporciones limites de cada uno de los materiales a mezclar que cumplen con las exigencias de la especificación. Los puntos que representan esas proporciones se unen por medio de líneas de puntos y el área comprendida entre esas líneas se raya en la forma que se indica en la figura anexa. Cualquier línea vertical que intercepte todas las líneas de tamices y que se encuentre dentro del área rayada representará una mezcla permisible. Selección de mezcla en base al índice de plasticidad Determinada la proporción de la mezcla de suelos y su curva granulométrica, se debe tener idea de cual será su límite de consistencia. En este caso se suele dosificar la mezcla con la condición de obtener la plasticidad deseada. Suponiendo una variación del índice de plasticidad de la mezcla, según las distintas proporciones de los dos suelos a mezclar, puede obtenerse la plasticidad aproximada de la mezcla con la expresión: cmcm bcmacm BBAA IBBIAA I ** **** + + = siendo: I = Índice de plasticidad de la mezcla Am*Bm = proporción de los suelos A y B que se mezclan Ac*Bc = proporción del material cohesivo en cada uno de los suelos a mezclarse Ia*Ib = índices de plasticidad de cada uno de los suelos a mezclar Pueden también obtenerse los valores deseados de plasticidad, gráficamente, utilizando el gráfico de la figura anexa en el que se toman: como ordenada el tanto por ciento del material de índice de plasticidad referido al material total en la mezcla, y como abscisas el índice de plasticidad y el límite liquido de cada uno de los suelos a mezclar. La ordenada correspondiente a la ley de variación del límite líquido (LL) y del índice de plasticidad (IP) dará en la abscisa el valor de LL y de IP de la mezcla resultante. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS POR GRANULOMETRÍA Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS POR PLASTICIDAD (ver Tabla) Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS POR PLASTICIDAD (Tabla) Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Mezcla de tres materiales Para el caso de mezclar tres materiales, se procederá primero a seleccionar la mejor combinación de dos materiales, y luego, considerando esa combinación como un solo material se procede a mezclarlo con el tercer suelo siguiendo el mismo procedimiento. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CEMENTO Gianfranco Perri INTRODUCIÓN El cemento mezclado con el suelo mejora sus propiedades mecánicas ya que, siendo los suelos por lo general un conjunto de partículas inertes granulares y de partículas activas de diversos grados de plasticidad, la acción que en ellos produce el cemento es doble. Por una parte actúa como conglomerante de las gravas, arenas y limos desempeñando el mismo papel que en el hormigón. Por otra parte, el hidrato de calcio, que se forma al contacto del cemento con el agua, libera iones de calcio que por su gran afinidad con el agua roban algunas de las moléculas de ésta interpuestas entre cada las partículas de arcilla. El resultado de este proceso es la disminución de la porosidad y de la plasticidad así como un aumento en la resistencia y en la durabilidad de los suelos. Para estabilizar los suelos se pueden utilizar todos los tipos de cementos, pero en general se emplean los de fraguado y endurecimiento normales. En algunos casos, para contrarrestar los efectos de la materia orgánica son recomendables los cementos de alta resistencia y si las temperaturas son bajas se puede recurrir a cementos de fraguado rápido o al cloruro de calcio como aditivo. Este tipo de estabilización es de uso cada vez más frecuente y consiste comúnmente en agregar cemento Portland en proporción de un 3% a un 10% por peso de mezcla. En general y a manera de premisa, se debe señalar que de acuerdo con las características del suelo a estabilizar se debe seleccionar el tipo de conglomerante más apropiado para conseguir la resistencia y demás características requeridas y, siempre en general, la disyuntiva a menudo se pone entre el empleo de la cal o el empleo del cemento. El efecto de la cal sobre el suelo conlleva una floculación de las partículas de arcilla por intercambio catiónico formando silicatos y aluminatos de calcio hidratados, produciéndose una reacción puzolánica que aumenta con el tiempo la capacidad de soporte y la impermeabilidad del suelo. De aquí que la cal tenga un efecto muy beneficioso sobre los suelos muy finos (mas del 50% de pase por 74 µm) y suelos muy plásticos o siempre que se quiera secar un suelo. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Por su parte el cemento es mucho más aprovechable en suelos algo más gruesos, lográndose las resistencias y capacidad de soporte que la cal no consigue. Así, en suelos finos cohesivos, la hidratación del cemento crea enlaces entre los diversos minerales del suelo formando un esqueleto de cemento y arcilla que crea una estructura celular que aumenta la resistencia del suelo, reduciéndose su plasticidad, pero es sin duda en los suelos granulares donde se logra el óptimo aprovechamiento de este conglomerante, consiguiendo una cementación similar a la de un hormigón pero sin rellenar todos los huecos de la estructura del suelo sino realizando uniones puntuales entre las partículas. Aunque existen recomendaciones generales orientadoras sobre cuando usar cal o cemento, siempre se deben realizar ensayos comparativos con ambos conglomerantes y a veces, aunque los parámetros indiquen más apropiado el empleo de la cal que del cemento, si se necesitan resistencias relevantes de suelos muy plásticos, el cemento se comporta mejor ante la presencia de carbonatos. Otra opción que no hay que descartar a veces es la estabilización mixta con cal y cemento, bien porque el suelo tenga mucha humedad y requiera previamente un secado, o bien porque sean finos muy plásticos sobre los que no se consiga obtener resistencias con la acción del cemento. Con un 1-2% de cal se reduce la plasticidad, aumentando la humedad óptima de compactación y reduciendo la densidad máxima del suelo y tras un período de maduración de 24-48 horas (en el caso de secado este se ha reducido a veces a 6-10 horas), un 3-4% de cemento puede lograr un resultado óptimo. Al mezclar unsuelo con cemento Pórtland se piensa principalmente en aumentar su resistencia, pero además de esto también se disminuye la plasticidad y es muy importante para que se logren estos efectos, que el suelo por estabilizar tenga un porcentaje máximo de materia orgánica del 2%. Casi todos los tipos de suelo pueden estabilizarse con cemento con excepción de los que contienen altos porcentajes de materia orgánica. Por otra parte, los suelos con elevados contenidos de arcilla o limo requerirán un mayor porcentaje de cemento para lograr los resultados esperados. Adicionalmente, es conveniente que los suelos a ser estabilizados con cemento no contengan piedras de tamaño superior a 5 cm y que el porcentaje que pasa por el tamiz 200 sea menor del 50% y que la plasticidad de tal fracción fina, determinada por la calidad de las arcillas, sea relativamente limitada siendo deseables un Límite Líquido menor de 50% y un Índice de Plasticidad menor de 20%. El éxito de la estabilización con cemento depende esencialmente de tres factores: • Contenido apropiado de cemento • Contenido apropiado de humedad • Adecuada compactación. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Por esto las mezclas deben ser sometidas a diversos ensayos como son el de compactación, durabilidad y compresión que aparte de su objeto específico servirán para dosificar el cemento que se empleará en la mezcla. Si mediante el análisis granulométrico y la determinación de los límites de Atterberg se ha procedido a la clasificación del suelo de acuerdo a la Clasificación AASHTO, se puede, referencialmente, adoptar la dosificación de cemento de la siguiente tabla: Para la determinación del contenido mínimo de cemento y la humedad óptima de compactación, puede inicialmente aplicarse el siguiente procedimiento: � Se toma una muestra de suelo seca y se mezcla con diferentes contenidos de cemento. � Para cada contenido de cemento se preparan 4 probetas compactadas a densidad seca máxima y humedad óptima, dos para la prueba de humedad y secado y dos para la prueba de CBR y compresión simple a diferentes edades. � Las dos probetas destinadas a la prueba de humedad-secado se sumergen en agua a temperatura ambiente por 5 horas, se sacan y secan al horno a 70º C por 36 horas. Este proceso de inmersión y secado se repite hasta un máximo de 4 veces y luego de cada ciclo una de las probetas se pesa y se le determina el grado de absorción a la otra se limpia pasándole un cepillo metálico enérgicamente, eliminando todo el material suelto y luego pesándola para obtener el porcentaje de material disgregado después de cada ciclo. Las probetas destinadas a la prueba de CBR y compresión simple se someten a las mismas después que éstas tengan de uno a cuatro días de curado. La dosificación mínima de cemento será la que aún permita lo siguiente: - La pérdida máxima en peso de material disgregado durante los ciclos de inmersión-secado será 10% para los suelos A3, A4, A5, A2-6 y A2-7 y 7% para los suelos A6 y A7 - El cambio volumétrico en cualquier momento de la prueba de humedad-secado no debe ser superior a un 2% del volumen inicial - La resistencia CBR y a la compresión simple debe aumentar con la edad y con el contenido de cemento hasta los valores establecidos en cada aplicación. Tipos de Suelo AASHTO Porcentaje de Cemento, en peso A-2; A.-3 y A-4 3%-9% A-5 y A-6 9%-12% A-7 12%-15% Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com ETAPAS DE LA ESTABILIZACIÓN Clasificación del suelo El primer paso consiste en realizar los ensayos previos para caracterizar correctamente el suelo. Para ello, se toman muestras suficientemente representativas del suelo y se realizan los ensayos de identificación que al menos definan la granulometría, plasticidad (límites de Atterberg), hinchamiento, humedad natural, y el contenido de materia orgánica y de otros componentes perniciosos, tales como sulfuros (piritas), sulfatos (yesos) o cloruros (sal gema) que puedan perturbar o incluso impedir el fraguado del cemento. Por último se realizan los ensayos de comportamiento para obtener el índice CBR de capacidad soporte. Dosificación del cemento Definido el conglomerante, se realizan los ensayos de dosificación necesarios para conocer la cantidad del mismo necesaria. Para ello se realiza el ensayo Proctor Modificado, con cada contenido de cemento, que facilita la humedad óptima y la densidad máxima, obteniéndose el valor del índice CBR y, si es el caso en que se exige una elevada resistencia, se confeccionan probetas para romper a la edad exigida. Conviene indicar que la dosificación seleccionada debe tener suficiente margen de seguridad para absorber las dispersiones existentes en obra y en cualquier caso, el porcentaje debe superar el mínimo necesario para asegurar una correcta homogeneización. Lo que se persigue con estos ensayos es definir la fórmula de trabajo en la que habrá que indicar la dosificación de cemento, la humedad del suelo para la mezcla y compactación y el valor mínimo de densidad a obtener. Preparación del suelo La preparación del suelo tiene como objetivo fundamental homogeneizar la fracción a estabilizar, que en natura puede ser muy variable según los suelos disponibles. Antes de iniciar las operaciones propias de preparación del suelo, es necesario tener disponible el mismo y para ello, si se trata de la estabilización del suelo existente (sub- rasante) y existe materia orgánica en superficie, debe retirarse previamente a la nivelación y operaciones de escarificado posteriormente descritas. Por otro lado en las zonas en terraplén se deberá proceder a la aportación del material procedente de algún desmonte de la traza o bien de préstamos. Para el suelo nativo (estabilización de la rasante natural de apoyo del terraplén) se procede a cortar y escarificar el material a la profundidad prevista a estabilizar. Cuando en cambio se utiliza suelo de aportación, éste deberá esparcirse uniformemente sobre la superficie en cantidad suficiente para lograr el espesor compactado previsto. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Si el suelo es muy arcilloso, presentará resistencia a pulverizarse, por lo que será necesario romper los terrones y si está muy húmedo formará una masa pastosa difícil de mezclar. Si en cambio el suelo es suficientemente arenoso, conviene humedecerlo antes de añadirle el cemento para que éste no pase por los huecos a la parte inferior en detrimento de la dosificación en el resto de la capa. En todos los casos, el material se reducirá al mínimo tamaño ya que los grumos o terrones no tendrán cemento y se convertirán en elementos débiles del suelo estabilizado. Una vez dispuesta la superficie a tratar, las operaciones que incluye la preparación del suelo son el escarificado (o esparcimiento, según sea el caso) con disgregación y la aireación o humectación para lograr la humedad óptima. La operación de escarificado o esparcimiento y disgregación se realiza hasta la profundidad necesaria para eliminar los terrones con el fin de optimizar la acción del conglomerante que posteriormente se extenderá. Con esta fase se consigue eliminar los elementos gruesos, a la vez que se disgregan o ahuecan los terrenos cohesivos. Se pretende pues reducir el número de terrones y grumos arcillosos, logrando pulverizar el suelo si es muy cohesivo, y buscando en todos los casos una curva granulométrica uniforme, sin excesivos gruesos, y lo más homogénea posible. Es interesante para una mejor operación de mezclado que el tamaño máximo se redujera por debajo de los 5 cm. Hay que destacar la gran importancia que una buena disgregación tiene en el resultado final para que, con el mínimo contenido de conglomerante distribuido homogéneamente, se obtengan buenos resultados, economizándose en el mismo.En líneas generales los suelos granulares como las arenas naturales no plásticas necesitan muy poco esfuerzo para la disgregación, pero otros como las arcillas necesitan un tratamiento más intensivo. Si el suelo está muy húmedo hay que proceder a airearlo para favorecer su desecación, solución válida en la mayoría de los casos salvo con suelos muy finos y muy plásticos, que retienen mucho la humedad y en los que hay que utilizar cal para lograr reducir la humedad y aglutinar los finos. Esta aireación o desecación se realiza hasta conseguir en el suelo una humedad próxima a la óptima obtenida en el ensayo Proctor Modificado. En el caso de emplearse dosificadores de conglomerante en forma de lechada, habrá que tener en cuenta el mínimo contenido de agua que se puede aplicar con el sistema, y desecar hasta una humedad similar a la óptima Proctor Modificado menos la aportada con el conglomerante. La aireación se suele hacer coincidir con la operación de escarificado y homogeneización del suelo. En el caso contrario de suelos muy secos habrá que aportar el agua necesaria para logra la humedad óptima de mezclado que facilite la máxima densidad en la compactación, e incluso a veces y, aunque dicha humedad se aporte en los equipos de estabilización, puede resultar interesante regar previamente el suelo para facilitar el proceso de escarificado si este se realiza independiente. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Si los equipos de mezclado disponen de barra regadora, la humectación se realiza a través de ellos desde camiones cisterna acoplados o dosificadores de lechada. En caso contrario hay que realizarlo previamente con cisternas dotadas de barra regadora. Una vez finalizadas las tareas anteriores conviene nivelar el terreno de acuerdo con la rasante de la explanada, dejándolo preparado para el extendido y mezclado con el conglomerante. Distribución del cemento El objetivo de esta etapa es dosificar lo más preciso posible la cantidad de conglomerante necesario, de acuerdo con el proyecto y el espesor definido a estabilizar. La distribución del cemento se puede suele hacer mecánicamente, pero la forma manual es igualmente adecuada para lograr una distribución uniforme utilizando para ello el cemento en sacos en lugar del granel. Si se emplean sacos, éstos se colocarán en hileras y filas regulares con la separación necesaria para la dosificación. Luego se abren los sacos y se deposita el cemento en el lugar en que se hallan, formando pequeños montones. Para obras voluminosas es sin embargo conveniente utilizar equipos mecánicos que, según sean estos, se distinguen entre los aptos para la ejecución por vía seca o los aptos para la ejecución por vía húmeda. En el primero de los casos, en el que se extiende el conglomerante en polvo, es muy importante que haya una buena sincronización entre los equipos de distribución y los de mezclado, de manera que la longitud de cemento extendido por delante del equipo de mezclado sea lo más reducida posible con el fin de evitar pérdidas de conglomerante por el soplado del viento. En la segunda opción, la vía húmeda, los equipos de dosificación pueden distribuir la lechada mediante elementos de regado o a través de unos inyectores aplicados a la carcasa del equipo que también realiza el mezclado, unificándose las operaciones. En cualquier caso hay que asegurar siempre que se está dosificando la cantidad de conglomerante necesaria, por lo que los controles en obra deben ser continuos y cuidadosos, comprobándose que sea los distribuidores y sea los inyectores según el aso, funcionan correctamente. Mezclado Si la distribución precisa del conglomerante es importante, también lo es en la misma medida un adecuado proceso de mezclado con la humedad apropiada, que asegure una buena homogeneidad del producto en la profundidad requerida y por tanto el aprovechamiento óptimo del conglomerante. La mezcla deberá ser homogénea y para lograrlo se debe pasar varias veces el escarificador o se usarán discos rotatorios de arado hasta que se determine un mezclado total, lo cual se puede efectuar bien en seco o bien en húmedo. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Con la mezcla seca, una vez distribuido el cemento, se procede a mezclarlo con el suelo hasta lograr la homogeneidad requerida. Con la mezcla húmeda, que es la más usada, en la operación de distribución se le incluye el agua. Humedecimiento El agua es un elemento esencial para hidratar el cemento y para facilitar la compactación. Al entrar el agua en contacto con el cemento se producirá una reacción química y desprendimiento de calor; esto a su vez provocará evaporación del agua incorporada, de modo que para lograr mantener la humedad óptima de compactación a la mezcla se agregará un 3% de agua adicional al porcentaje óptimo obtenido en laboratorio. La distribución del agua debe ser uniforme en toda la extensión a tratar, cuidándose de que no quede depositada en huecos y comprobándose que el contenido de agua aplicada no exceda de la humedad óptima en más del 5%. Todos los materiales tratados con cemento son excesivamente sensibles a las variaciones de humedad. Si el material está seco, se generan problemas por carencia de mortero para envolver todo el árido y cerrar adecuadamente la superficie con la compactación. No hay que olvidar además que pequeñas reducciones en la humedad pueden suponer importantes descensos de la densidad máxima y por tanto de la capacidad soporte y resistencia obtenida con el material (curvas humedad-densidad y humedad-resistencia con forma de campana). En estos casos se debe humedecer el material, pulverizando agua o incrementar la dosificación de agua. Por otro lado, si el material está excesivamente húmedo, los problemas surgen durante la compactación, ante la imposibilidad de lograr con los equipos la densidad adecuada al producirse un continuo colchoneo o desplazamiento del material que se ondula escapando del rodillo (bombas). Si el exceso de humedad se da en zonas localizadas de reducido tamaño, la solución de dejar airear temporalmente el material con el fin de reducir su humedad hasta hacerlo compactable. Cuando el problema de exceso de humedad es generalizado, es decir el suelo tiene una humedad superior a la óptima del Proctor Modificado (o a esta menos la necesaria para dosificar si se hace en lechada), la solución consiste en orear todo el suelo o bien realizar un mezclado previo con cal, procediéndose a las 24 h al estabilizado final con cemento. Cuando la capa estabilizada no es inmediatamente cubierta por una siguiente después de compactada, debe tratarse para evitar la evaporación del agua y mantener su nivel hídrico durante al menos unos días. Para ello la práctica más habitual es el curado con agua y e todos los casos, siempre que se produzca desecación superficial por altas temperaturas, sol o viento, se debe humedecer la superficie mediante la pulverización de agua. Compactación Inmediatamente después de haber completado la mezcla y añadido agua, se comienza la compactación de la capa formada hasta lograr la densidad requerida. La compactación se Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com realiza partiendo de los bordes hacia en centro de la plataforma del terraplén. Durante la compactación debe mantenerse el contenido de agua dentro de los límites. Como casi siempre los suelos que se estabilizan son finos, el compactador adecuado es el tipio pata de cabra. Cuando el suelo que se estabiliza es gravo-arenoso, entonces el rodillo adecuado es aquel que cuenta con un rolo vibrador. La densidad mínima exigida a obtener es el 95% de la densidad máxima obtenida en el ensayo Proctor Modificado. Aunque este valor es de densidad media de la capa, es interesante asegurar dicho valor en el fondo de lacapa, intentando lograr valores medios mayores. La compactación debe realizarse con la menor demora posible tras el mezclado por un doble motivo: - Para no dejar expuestos a la intemperie los materiales sueltos, con la consiguiente pérdida de humedad. Para ello conviene tener en el tajo algún equipo para compensar la evaporación superficial excesiva. - Porque los plazos de trabajabilidad de los materiales estabilizados suelen ser relativamente cortos (en condiciones favorables nunca más de 2-3 horas, dependiendo del tipo de cemento empleado y de la temperatura ambiente), salvo que se utilicen retardadores de fraguado. El empleo de estos últimos, así como de cementos con un contenido elevado de adiciones activas, es aconsejable teniendo en cuenta que en las obras de tierra es muy importante que las bandas de suelo estabilizadas suelden perfectamente con las otras. Para ello es esencial que el conglomerante de una banda no haya avanzado a fraguar antes de finalizar la compactación de la banda inmediatamente anexa. Un problema que surge durante los días calurosos o de viento, es la desecación de la superficie de forma muy rápida durante la compactación, situación que se observa claramente de forma visual adquiriendo las mezclas un color más terroso y seco. En estos casos es imprescindible aplicar agua pulverizada, siendo aconsejable disponer de un camión cisterna con boquillas de jardinería o bien de simples sulfatadoras de mano con agua, en las obras más reducidas. En la estabilización de los suelos con cemento, el problema más importante o el que requiere mayor atención es el de conseguir la mezcla homogénea del suelo con la dosificación precisa de cemento y con la humedad óptima del ensayo Proctor Modificado que permita obtener la mayor densidad y por tanto la mayor vida útil. Si durante el inicio de las obras se comprueba que no es posible alcanzar la densidad mínima fijada, ni cambiando la energía de compactación o los mismos rodillos, problema que sucede con algunos suelos (no hay que olvidar que la densidad máxima se obtiene en el laboratorio con una muestra de material confinada en el molde de la probeta), la solución consiste en incrementar ligeramente la dosificación del conglomerante y realizar las probetas con la misma densidad obtenida en la obra para que sean representativas de lo realizado in situ. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com ESPECIFICACIONES PARTICULARES PARA ESTABILIZACIÓN CON CEMENTO Materiales Suelos: El suelo por estabilizar deberá estar libre de materia orgánica u otra sustancia que pueda perjudicar la elaboración y fraguado del concreto. Deberá, además, cumplir los siguientes requisitos generales. (a) Granulometría: La granulometría del suelo a estabilizar puede corresponder a los siguientes tipos de suelos A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6 y A-7. Además el tamaño máximo no podrá ser mayor de cincuenta milímetros (50 mm), ni superior a un tercio del espesor de la capa compactada. (b) Plasticidad: La fracción inferior del tamiz de 425 μm (N°40) deberá presentar un Límite Líquido inferior a cuarenta (40) y un Índice Plástico menor de diez y ocho por ciento (18%). (c) Composición Química: La proporción de sulfatos del suelo, expresada como SO4 no podrá exceder de 0.2%, en peso. (d) Abrasión: Los agregados gruesos deben tener un desgaste a la Abrasión (Máquina de Los Angeles) MTC 207 no mayor a 50%. (e) Solidez: Los agregados gruesos no deben presentar pérdidas en sulfato de sodio superiores a doce por ciento (12%) y en materiales finos superiores a diez por ciento (10%). Cemento: El cemento para estabilización será del tipo Pórtland. Agua: El agua deberá ser limpia y estará libre de materia orgánica, álcalis y otras sustancias deletéreas. Su pH deberá estar comprendido entre cinco y ocho (5-8) y el contenido de sulfatos no podrá ser superior a un gramo por litro (1 g/l). Mezcla suelo-cemento: La mezcla se debe diseñar mediante los ensayos de resistencia a compresión simple y humedecimiento-secado. En el primero de ellos, se deberá garantizar una resistencia mínima de 18 Kg/cm², luego de siete (7) días de curado húmedo, mientras que en el segundo, el contenido de cemento deberá ser tal, que la pérdida de peso de la mezcla compactada, al ser sometida al ensayo de durabilidad (humedecimiento-secado), no supere los siguientes límites de acuerdo con la clasificación que presente el suelo por estabilizar: Suelo por Estabilizar Perdida Máxima (%) A-1; A-2-4; A-2-5; A3 A-2-6; A-2-7; A-4; A5 A-6; A-7 14 10 7 Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Ejecución de los trabajos Pulverización del suelo: Antes de aplicar el cemento, el suelo por tratar, sea que haya sido escarificado en el lugar o transportado desde los sitios de origen, se pulverizará con la máquina adecuada en el ancho y espesor suficientes que permitan obtener la sección compactada indicada en las especificaciones y los planos de proyecto. Aplicación del cemento: El cemento podrá aplicarse en bolsas o a granel. En cualquier caso, se esparcirá sobre el suelo pulverizado de manera que se disperse la cantidad requerida según el diseño más la cantidad prevista por desperdicios, a todo lo ancho de la capa por estabilizar. Durante la aplicación del cemento, la humedad del suelo no podrá ser superior a la prevista en el diseño de la mezcla del suelo con el cemento. Sobre el cemento esparcido sólo se permitirá el tránsito del equipo que lo va a mezclar con el suelo y el cemento sólo podrá extenderse en la superficie que pueda quedar terminada en la jornada de trabajo Mezcla: Inmediatamente después de ser esparcido el cemento, se efectuará la mezcla en todo el espesor establecido en las especificaciones. El número de pasadas dependerá del equipo utilizado y será el necesario para garantizar la obtención de una mezcla homogénea. En caso de que se requiera, se añadirá el agua faltante y se continuará mezclando hasta que la masa resultante presente completa homogeneidad. La humedad de la mezcla deberá ser la óptima del ensayo Próctor Normal, con una tolerancia de más o menos 1.5 por ciento. Compactación: El proceso de compactación deberá ser tal que evite la formación de una costra o capa superior delgada, débilmente adherida al resto del suelo estabilizado. En caso de que ella se produzca, deberá ser eliminada hasta obtener una capa uniforme y compacta, en todo el espesor compactado. Los trabajos de compactación deberán ser terminados preferiblemente en un lapso no mayor de tres horas desde el inicio de la mezcla y la compactación deberá ser el 95%, como mínimo, del ensayo Próctor Normal. Curado: Si terminada la conformación y compactación de la capa estabilizada con cemento, ésta deberá quedar expuesta al aire antes de la aplicación de una nueva capa de suelo, deberá procederse a su curado, humedeciéndola con agua para evitar su resecado excesivo, durante unos 7 días. Limitaciones: Las estabilizaciones con cemento sólo se podrán llevar a cabo cuando la temperatura ambiente, a la sombra, sea superior a diez grados (10°C) y cuando no haya lluvia o temores fundados de que ella se produzca. En caso de que la mezcla sin compactar sea afectada por agua de lluvia y como resultado de ello la humedad de la mezcla supere la tolerancia prevista en las especificaciones, se deberá escarificar y reconstruir el sector deteriorado. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL Gianfranco Perri Índice CAPÍTULO I: PRINCIPIOS BÁSICOS • Estabilización de suelos con cal • Modificación de suelos con cal • La química del tratamiento con cal CAPÍTULO II: MÉTODOS CONSTRUCTIVOS • Visión general de la construcción con cal • Diferentes métodos de aplicación de cal CAPÍTULO III: FASESCONSTRUCTIVAS • Entrega y manejo de la cal • Precauciones de seguridad con la cal • Secuencia constructiva con la cal CAPÍTULO IV: ESPECIFICACIONES CONSTRUCTIVAS • Aceptación de los materiales • Preparación de la mezcla • Compactación y curado de las capas APÉNDICE: Especificaciones Internacionales APÉNDICE: Especificaciones Constructivas Particulares Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com CAPÍTULO I: PRINCIPIOS BÁSICOS Estabilización de suelos con cal Cuando suelos muy arcillosos, que en su estado natural no cumplen con las especificaciones de aceptación previstas, tienen que ser usados para construir terraplenes, el tratamiento con cal puede utilizarse para estabilizar estos suelos creando capas de terreno con un valor estructural significativo. Efectivamente, la cal es un estabilizador versátil del suelo y en principio puede ser considerada para ser empleada en los suelos en que el límite de plasticidad sea mayor a 10% y el porcentaje de partículas que pasa la malla 200 exceda el 25% o el 35%. Los suelos requieren ser estabilizados para mejorar su capacidad mecánica y su durabilidad, o para alterar su potencial de cambio volumétrico con el agua. La forma mas ampliamente conocida de estabilización es la que se obtiene mediante compactación, con la cual mejora la estabilidad mecánica de prácticamente cualquier suelo. Sin embargo con frecuencia la compactación por si sola no es suficiente, especialmente con suelos cohesivos finos, debiéndose en tales casos recurrir a formas más compleja de estabilización, bien sea aún mecánica mediante la mezcla con suelos granulares y bien sea química, como es el caso del tratamiento con cal. Las arcillas plásticas poseen consistencias que varían en un rango amplio de acuerdo al contenido de agua y al mismo tiempo, poseen aptitudes específicas para tomar y expulsar el agua de acuerdo con su naturaleza morfológica y mineralógica. La cal, ya sea viva o hidratada, cálcica o dolomítica, es un estabilizador efectivo de las arcillas, ya que al reaccionar con estas modifica su capacidad para retener agua y crea una acción cementante que mejora la resistencia de la arcilla estabilizada, gracias a las propiedades químicas de los componentes presentes en la cal misma. En la práctica, la estabilización del suelo con cal cambia considerablemente las características del mismo en forma permanente, incrementando la resistencia y mejorando la estabilidad, en particular en lo que concierne a la acción del agua. Fenómenos de intercambio cationico y consecuentes cambios de textura ocurren con todos los tipos de arcilla en presencia de la cal y el grado de efecto, así como de la cantidad de la cal requerida para provocar el intercambio catiónico, dependen de la naturaleza química y mineralógica del suelo y de la humedad presente en el ambiente. Para el tratamiento de suelos se puede utilizar cal viva (óxido de calcio � CaO), cal hidratada (hidróxido de calcio � Ca[OH] 2 ), o una lechada de cal. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com - La cal viva se produce de la transformación química del carbonato de calcio (piedra caliza � CaCO 3 ) en óxido de calcio. - La cal hidratada se obtiene cuando la cal viva reacciona químicamente con el agua y la cal hidratada (hidróxido de calcio) es la que reacciona con las partículas arcillosas transformándolas permanentemente en una fuerte matriz cementante. - Una lechada de cal es una suspensión de cal hidratada en agua y puede elaborarse bien sea a partir de cal hidratada o bien sea de cal viva. La cal más utilizada para el tratamiento de suelos es la cal alta en calcio, que contiene un máximo de 5% de óxido o hidróxido de magnesio. Sin embargo, en algunas ocasiones se utiliza cal dolomítica, que contiene de 35 a 46% de óxido o hidróxido de magnesio, ya que con la cal dolomítica también se puede lograr la estabilización del suelo, aunque la fracción de magnesio reacciona más lentamente que la fracción de calcio. La cal, sola o en combinación con otros materiales, puede ser utilizada para tratar una amplia gama de tipos de suelos y las propiedades mineralógicas de estos determinarán su grado de reactividad con la cal y la resistencia final que las capas estabilizadas desarrollarán. En general, los suelos arcillosos de grano fino (con un mínimo del 25 por ciento que pasa el tamiz 200 -75μm- y un Índice de Plasticidad mayor que 10) se consideran buenos candidatos para la estabilización. Los suelos que contienen cantidades significativas de material orgánico (mayor que 1 por ciento) o sulfatos (mayor que 0.3 por ciento) pueden requerir cal adicional y/o procedimientos de construcción especiales para ser estabilizados. Los suelos tratados pueden ser del mismo lugar de construcción de la obra o pueden proceder de préstamos y la estabilización con cal requiere en media la adición de cal de 2% a 6% en peso del suelo seco y por lo general implica mezcla en el lugar, sin embargo la mezcla en planta también puede ser utilizada. Efectivamente en la práctica de las construcciones, en unos casos el suelo inestable se transporta a un área de mezcla para allí llevar a cabo las operaciones necesarias, mientras en otros casos y más rutinariamente, el suelo es tratado con la cal después de que es traído al terraplén. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Escarificación previa a la aplicación de la cal Aplicación de la lechada de cal Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Tal procedimiento constructivo rutinario prevé que el suelo no tratado se extienda en capas, típicamente 20 a 30 cm de espesor, y luego a cada capa se añade y se mezcla cal, la cual absorbe agua y reacciona químicamente con el suelo reduciendo el contenido de humedad en el mismo. La capa tratada finalmente se compacta y luego otra capa de suelo no tratado se le coloca encima y el proceso se repite hasta que se completa el terraplén. Es fundamental asegurar que a lo largo del proceso exista una humedad adecuada, en particular si se utiliza cal viva, donde es también esencial que todas las partículas resulten adecuadamente hidratadas. Modificación de suelos con cal En la práctica de las construcciones de obras de tierra, existen otros dos usos del tratamiento de suelos con cal, que en lugar de "estabilización de suelos con cal", se denominan "modificación de suelos con cal": Primero, debido a que la cal viva se combina químicamente con el agua, absorbiéndola en una reacción que genera calor, puede ser usada con eficacia para simplemente secar suelos mojados. La reacción con el agua ocurre incluso si los suelos no contienen fracciones arcillosas significativas, aunque cuando las arcillas están presentes, la reacción química de la cal con las arcillas, seca aún más los suelos. El efecto neto es que el secado ocurre rápidamente, dentro de un lapso de horas, permitiendo al constructor compactar el suelo mucho más rápidamente que si esperara que el suelo se secara por la evaporación natural. Segundo, el tratamiento de suelos con cal puede mejorar considerablemente la trabajabilidad de ciertos los suelos a corto plazo, de tal forma que permite que las obras puedan ser ejecutadas más fácilmente y en consecuencia también más rápidamente y más económicamente. Para alcanzar ambos objetivos de modificación del suelo con cal, bien sea de secado o bien sea de trabajabilidad temporal de los suelos, típicamente se utiliza del 1 al 3 por ciento de cal en relación al peso del suelo seco, un porcentaje por lo tanto generalmente menor del que se utiliza para la estabilización químico-mecánica permanente de los suelos. La diferencia principal entre la modificación del suelo y la estabilizacióndel suelo es que con la modificación, generalmente, no se le concede ningún crédito estructural adicional a la capa modificada con cal y además, los efectos de la estabilización del suelo son permanentes. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com La química del tratamiento con cal Cuando la cal y el agua se añaden a un suelo arcilloso, comienzan a ocurrir reacciones químicas casi inmediatamente, produciendo: 1. Secado: Si se usa la cal viva, la misma se hidrata inmediatamente (o sea, químicamente se combina con el agua) y libera calor. Los suelos se secan porque el agua presente en el suelo participa en esta reacción y porque el calor generado puede evaporar la humedad adicional. La cal hidratada producida por estas reacciones iniciales, posteriormente reaccionará con las partículas de arcilla (como se discute posteriormente). Estas reacciones subsecuentes, lentamente producirán un secado adicional porque las mismas reducen la humedad, mejorando el soporte. Si se utilizan la cal hidratada o la lechada de cal hidratada, en lugar de la cal viva, el secado ocurre sólo por los cambios químicos del suelo, que reducen su capacidad para retener agua y aumentan su estabilidad. 2. Modificación: Después de la mezcla inicial, los iones de calcio (Ca++) de la cal hidratada emigran a la superficie de las partículas arcillosas y desplazan el agua y otros iones. El proceso, llamado "floculación y aglomeración", generalmente ocurre en el transcurso de horas y el suelo se hace friable y granular, haciéndolo más fácil para trabajar y compactar. En esta etapa, el Índice de Plasticidad del suelo disminuye drásticamente, así como lo hace su tendencia a hincharse y contraerse con la variación de la humedad. 3. Estabilización: Cuando se añaden las cantidades adecuadas de cal y agua, el pH del suelo aumenta rápidamente arriba de 10.5, lo que permite romper las partículas de arcilla. La determinación de la cantidad de cal necesaria es parte del proceso de diseño y se debe estimar mediante pruebas. Se liberan la sílice y la alúmina y reaccionan con el calcio de la cal para formar hidratos de calcio-silicatos (CSH) e hidratos de calcio-aluminatos (CAH). CSH y CAH, que son productos cementantes similares a aquellos formados en el cemento de Pórtland y constituyen la matriz que contribuye a la resistencia de las capas de suelo estabilizadas con cal. Cuando se forma esta matriz, el suelo se transforma de un material arenoso granular a una capa estructural permanentemente tan fuerte como flexible, relativamente impermeable y con una capacidad de carga significativa. El proceso se inicia en unas horas y puede continuar durante años. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Mezcla preliminar de cal con suelo en el área de mezcla Mezcla de la cal con el suelo Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com CAPÍTULO II: MÉTODOS CONSTRUCTIVOS Visión general de la construcción con cal Como la cal puede ser utilizada para tratar suelos de distintos tipos, el primer paso en la evaluación de las opciones de tratamiento del suelo con cal es identificar claramente el objetivo a perseguir. Los pasos a seguir en la construcción de obras con suelos tratados con cal son similares en la estabilización y en la modificación. Generalmente, la estabilización requiere más cal y más tratamiento y control que la modificación. Los pasos básicos del procedimiento constructivo incluyen: � escarificar o esparcir el suelo, � esparcir o sembrar la cal, � adicionar agua y mezclar la cal con el suelo, � compactar a la densidad prevista, y � curar antes de la colocar de la siguiente capa de suelo. Cuando se realiza la mezcla en planta (fuera del sitio de la obra) en lugar de la mezcla en el lugar de trabajo, ya sea en la estabilización o en la modificación, sólo se aplican tres de los pasos mencionados: esparcir la mezcla cal-suelo-agua, compactar y el curar. Diferentes métodos de aplicación de cal La específica técnica de estabilización con cal a ser empleada en un proyecto debería estar basada en múltiples consideraciones, tales como la experiencia del contratista, la disponibilidad de equipo, la ubicación del proyecto y la disponibilidad de una fuente cercana y adecuada de agua. Obviamente también la disponibilidad comercial local de los posibles tipos de cal, entre: Cal hidrata en polvo – Cal viva en seco – Lechada de cal. Algunas ventajas y desventajas de los diferentes métodos de aplicación de cal son las siguientes: Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Cal hidratada en polvo Ventajas: Puede ser aplicada más rápidamente que la lechada. La cal hidratada en polvo puede ser utilizada para secar arcillas, pero no es tan eficaz como la cal viva. Desventajas: Las partículas hidratadas de cal son finas de modo que el polvo puede ser un problema y por lo tanto este tipo de uso generalmente es inadecuado en áreas pobladas. Cal viva en seco Ventajas: Económica, porque la cal viva es una forma más concentrada de cal que la cal hidratada, conteniendo de 20 a 24 por ciento más de óxido de calcio "disponible". Así, aproximadamente 3 por ciento de cal viva es equivalente a 4 por ciento de cal hidratada, cuando las condiciones permiten la hidratación completa de la cal viva con suficiente humedad. Debido a su mayor densidad requiere de menos instalaciones de almacenaje. El tiempo de ejecución puede ampliarse debido a que la reacción exotérmica causada por el agua y la cal viva puede calentar el suelo. La cal viva seca es excelente para secar suelos mojados. Las partículas son relativamente grandes y pueden reducir la generación de polvo. Desventajas: La cal viva requiere 32 por ciento de su peso en agua para convertirse en cal hidratada y puede haber pérdida adicional por la evaporación significativa debido al calor de hidratación. Se debe tener cuidado con el empleo de la cal viva para asegurar una adecuada adición de agua, fraguado y mezcla. Estos mayores requerimientos de agua pueden plantear un problema de logística o costos en áreas remotas sin una fuente cercana de agua. La cal viva puede requerir más mezcla que la cal hidratada seca o que las lechadas de cal, porque las partículas de cal viva, que son más grandes, primero deben reaccionar con el agua para formar la cal hidratada y luego debe ser mezclada con el suelo. El manejo de la cal viva en climas cálidos y húmedos puede conllevar cierto peligro de daños accidentales a la piel de los trabajadores. Lechada de cal Ventajas: La aplicación es completamente libre de polvo de cal. Es más fácil lograr la distribución. Se aprovecha la aplicación por rociado. Se requiere menos agua adicional para la mezcla final. Desventajas: Velocidad lenta de aplicación. Costos más altos debido al equipo extra requerido. Puede no ser práctico en suelos muy mojados. No es práctico para uso de la cal con fines de secar el suelo. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Adición de agua después de la mezcla Arcilla floculada con cal Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com CAPÍTULO III: FASES CONTRUCTIVAS Las siguientes consideraciones y recomendaciones de construcción aplican, tanto al empleo de cal hidratada como al de cal viva, en la estabilización o la modificación de suelos en capas, y se indican como una guía general para constructores, inspectores y proyectistas para el aseguramiento y control de la calidad de las obras. Entrega y manejo de la cal Cal viva y cal hidratada seca La cal viva y la cal hidratada seca pueden ser entregadas en bolsas de papel o bien en pipas. Ocasionalmentela cal viva se entrega en el sitio en camiones de volteo. En este caso se requieren cubiertas de lona para prevenir pérdida de polvo durante el tránsito. Lechada de cal La lechada de cal puede ser producida a partir de la cal viva o de la cal hidratada. Puede ser entregada desde una planta de mezcla central o puede producirse en el lugar de trabajo. Independientemente de la ubicación, la lechada producida a partir de cal viva está caliente debido a que la reacción química entre la cal viva y el agua es exotérmica. Las lechadas elaboradas por la mezcla de cal hidratada y agua no se calientan. La lechada puede prepararse en un tanque de mezcla, con agitación para mezclar la cal y el agua utilizando paletas deflectoras, aire comprimido, y/o bombas de recirculación. Los mezcladores utilizados en el lugar, usualmente manejan de 20 a 25 toneladas de cal viva a la vez. Un segundo método de producción de lechada, que elimina tanques de producción por lotes, implica el empleo de un mezclador compacto con motor. Se carga agua a una presión de 70 psi y cal hidratada, en forma continua en una proporción de 65:35 (en peso) en el mezclador, donde la lechada se produce instantáneamente. La lechada es bombeada directamente en camiones para regarla en el lugar del proyecto. El mezclador y el equipo auxiliar pueden ser montados sobre un pequeño trailer y ser transportados al lugar fácilmente, dando gran flexibilidad a la operación. En un tercer tipo de proceso para elaborar lechada, se cargan cantidades dosificadas de agua y cal, separadamente, en el tanque del camión con la lechada siendo mezclada en el tanque ya sea con aire comprimido o con una bomba de recirculación montada en la parte trasera del mismo. El agua es medida y la cal se dosifica volumetricamente o por lotes, utilizando pesadoras. Las lechadas de cal contienen hasta el 42 por ciento de sólidos. El porcentaje sólidos de cal puede ser medido utilizando un dispositivo simple de gravedad específica para asegurar que se aplica la cantidad adecuada de cal en todas las partes de la obra. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Precauciones de seguridad con la cal Las directrices de seguridad que se mencionan a continuación son generales y las precauciones para cada producto de cal específico deben encontrarse en la hoja de seguridad, que debe suministrar el productor de cal o el proveedor. Seguridad del trabajador La cal, en particular la cal viva, es un material alcalino que es reactivo en presencia de humedad. Los trabajadores que manipulan cal deben ser entrenados y utilizar el equipo protector apropiado. Las aplicaciones en suelos pueden crear la exposición al polvo de cal a través del aire, lo que debe ser controlado y posiblemente evitado. Riesgos para los ojos. La cal puede causar la irritación severa de los ojos o quemaduras, incluyendo daño permanente. La protección ocular (gafas protectoras químicas, gafas de seguridad y/o careta) deberá ser utilizada donde exista un riesgo de exposición a la cal y no se deben usar lentes de contacto. Riesgos para la piel. La cal puede causar irritación y quemaduras en la piel sin protección, especialmente en presencia de humedad. El contacto prolongado con la piel sin protección debe evitarse. Se recomienda la utilización de guantes protectores y ropa que cubra totalmente brazos y piernas. Se debe prestar cuidado especial con la cal viva porque su reacción con la humedad genera el calor suficiente para causar quemaduras. Riesgos de inhalación. El polvo de cal es irritante si se inhala. En la mayoría de casos, las mascarillas anti-polvo proporcionan la protección adecuada. En situaciones de alta exposición, es apropiado contar con una mayor la protección respiratoria, dependiendo de la concentración y el tiempo de exposición. Seguridad del Producto Se debe tener cuidado para evitar la mezcla accidental de cal viva y agua (en cualquier forma, incluyendo sustancias químicas que contienen agua de hidratación) para evitar crear calor excesivo. El calor liberado por esta reacción puede encender materiales combustibles o causar daño térmico a propiedades o personas. El polvo de cal puede ser removido de los vehículos utilizando trapos humedecidos con vinagre diluido. Después de la aplicación del vinagre diluido, los vehículos (sobre todo superficies de cromo) deben lavarse con agua. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Estabilizadora realizando la mezcla Estabilizadora con camión aplicador de agua Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Secuencia constructiva con la cal En términos generales las fases constructivas de una obra de tierra que prevé la estabilización de los suelos con cal, incluye las operaciones siguientes: � La escarificación y pulverización de la sub-rasante (eventual), o el esparcido de la capa de suelo sin tratar � La aplicación de la cal � La mezcla con aplicación del agua � El fraguado y la re-mezcla (eventual) � La compactación y � El curado. 1. Escarificación y pulverización de la sub-rasante Cuando se debe in iniciar la conformación del terraplén apoyándolo sobre laq sub-rasante natural del terreno, la sub-rasante puede ser escarificada a la profundidad y ancho especificados y luego pulverizarse parcialmente, ya que una sub-rasante escarificada o pulverizada ofrece más área de contacto superficial de suelo para la cal en el momento de la aplicación. Sin embargo, aunque en el pasado era una práctica común escarificar la sub-rasante natural antes de la aplicación de la cal, hoy en día debido a la disponibilidad de mezcladores adecuadas, la cal a menudo es aplicada sin la escarificación sobre la sub- rasante oportunamente compactada, con lo cual se elimina una operación y además los camiones de cal pueden transitar la sub-rasante con más facilidad si está compactada, más bien que escarificada, en particular sobre suelos mojados. La principal desventaja de este procedimiento, sin embargo, se da por factores meteorológicos ya que cuando la cal es colocada sobre una superficie lisa, hay mayor posibilidad para la pérdida debido al viento y al mismo proceso, particularmente si la mezcla no se realiza de inmediato. Para eliminar la pérdida hacia los lados, se pueden construir pequeños camellones. Si la cal viva se descarga en �volcanes�, es deseable una superficie lisa, de modo que se alcance una aplicación uniforme con la hoja de la motoniveladora y también por lo anterior, la sub-rasante no debería ser escarificada antes de que la cal viva sea aplicada de esta manera. 2. Aplicación de la cal Cal viva Existen dos métodos en que la cal viva seca puede ser aplicada. En el primero, los camiones autodescargables o trailers pueden distribuir la cal viva neumática o mecánicamente a la anchura completa del camión. Debido a que el flujo de cal viva granular y sin triturar es más controlable que el de la cal hidratada, resulta una práctica común usar camiones con aplicadores incorporados. Descargado por Luz (iglesiasluz83@gmail.com) Encuentra más documentos en www.udocz.com Para asegurar que se aplica la cantidad correcta de cal, se puede colocar sobre el suelo una bandeja o un paño de área conocida, entre las ruedas del camión que esparce la cal. La bandeja o paño, donde se recolecta la cal, se pesa para verificar que la cantidad de cal es la correcta. En el otro método la cal viva se aplica por gravedad, dejándola caer formando un camellón. Es usual utilizar camiones graneleros con sistemas de compuertas inferiores neumáticas. Una motoniveladora se utiliza, ocasionalmente, para esparcir la cal viva. Este método requiere que el área sea nivelada y esté suficientemente seca, para que el suelo no se ahuelle bajo las llantas del camión, lo que evitaría la extensión uniforme. Es difícil de medir
