Estabilización de suelos
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GRAFICO No. 1 ESTABILIZACION GRANULAR DE DOS MATERIALES % Material A 100
80
60
40
20
0
1 ½”
80
80
”
% P
”
A
A “ 60 L AI
S A
60 3/4”
R
–
No. 4
E
M
T
A A
T M
E – A S
3/8”
40 A
R IA
40
No. 10
L
P
“B %
“
No. 40
20
20 No. 200
0
0
0
20
40
60
80
100
% Material B.
Líneas de igual tamiz Norma Franja de material a usar Luego de ubicado cada punto correspondiente a la granulometría de cada material se une mediante líneas rectas los puntos de igual tamiz y luego sobre ellas se procede a graficar los intervalos dados por la norma, los cuales determinarán un área por la cual debe pasar la granulometría del material a estabilizar, como se espera que este nuevo material (el producido por la estabilización) este en el punto intermedio de esta área se lee en las horizontales el porcentaje a emplear de cada material. El segundo método es usado cuando se van a emplear tres materiales para la obtención de otro que cumpla con las especificaciones de la norma.
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Ejemplo: Se quiere obtener un material que cumpla la gradación BG-1 de las especificaciones del INV, para lo cual se dispone de tres materiales con las siguientes granulometrías: TAMIZ Material A 100 85 62 37 18 6 -
1 ½” 1” ¾” 3/8”
No . 4 No. 10 No. 40 No. 200
Porcentaje que pasa Material B Material C
100 90 57 42 18 4
100 73 55
Solución:
Para usar este gráfico primero se divide en tres grupos la granulometría tal como se muestra en el siguiente cuadro:
PORCION MATERIAL A 37.5-4.75 82
MATERIAL B 43
MATERIAL C 0
GRADACION DESEADA D 55
4.75-.075
18
53
45
35
PASA 0.075
0
4
55
10
Luego de distribuida la granulometría en estos tres grupos se gráfican como puntos en el gráfico 2. Luego de gráficados los puntos se une el punto A con el B, y el punto C con el D y esta línea resultante se prolonga hasta cortar el segmento AB, el corte es el punto E, a continuación con una escala se mide la longitud de los segmentos y se aplica: % de agregado grueso = EB*DC . *100 AB*EC % agregado fino = AE*DC . AB*EC % de suelo fino = ED . *100 EC
*100
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GRAFICO 2. SOLUCION PARA LA MEZCLA DE TRES MATERIALES
0 100
1 ½” – No. 4
No.4 – N o. 200 B C
D
E A
100 0
0 100
Pasa Tamiz No. 200
Representación material.
puntual
de
la
granulometría
de
cada
Guía para la localización de cada punto. Tomando las medidas y aplicando las fórmulas correspondientes se encuentran los siguientes porcentajes: EB = 20 mm EC = 62 mm
DC = 52.3 mm AB = 33.2 mm AE = 13.3 mm ED = 9.7 mm
Material A = 50.7%
Material B = 33.7% Material C = 15.6%.
Luego de hallados los porcentajes estos se aplican a la granulometría de cada material y con esto se obtiene la granulometría del material resultante que se compara con la dada por la norma:
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Mezcla de los tres materiales
TAMIZ
1 ½” 1” ¾” 3/8”
No . 4 No. 10 No. 40 No. 200
Material Material A B 50.7% 33.7% 50.7 33.7 43.1 33.7 31.4 33.7 18.8 30.3 9.1 19.2 3.0 14.1 0 6.1 0 1.3
Material C 15.6% 15.6 15.6 15.6 15.6 15.6 15.6 11.4 8.6
A+B+C ESPECIFICACION
MEZCLA 100 92.4 80.7 64.7 43.9 32.7 17.5 9.9
100 70-100 60-90 45-75 30-60 20-45 10-30 5-15
El éxito de la construcción de una capa de pavimento con un material obtenido por medio de la estabilización granular radica en la adecuada colocación de los materiales sobre la vía para que al ser mezclados con el equipo adecuado, la mezcla se haga en las proporciones calculadas y el producto tenga la gradación exigida. Luego de hecha la mezcla en seco, se incorpora la cantidad de agua necesaria, se hace la mezcla húmeda se compacta y luego se termina como cualquier base o subbase granular.
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CEMENTO. Recibe el nombre de suelo cemento una mezcla íntima de suelo pulverizado, cemento portland y agua, que compactada a la humedad óptima y a la densidad máxima produce un material resistente y durable. La acción estabilizadora del cemento consta de varias etapas: 1. Al entrar en contacto el silicato de calcio con el agua se forman masas de fibras minúsculas que se traban firmemente unas con otras y con otros cuerpos de tal forma que esta solución reacciona con las partículas del suelo, reacción en la que los iones de calcio tienden a agrupar las partículas de suelo produciéndose floculación por gravedad. 2. Al compactar la mezcla, se produce una reacción del calcio con el sílice y la alúmina produciéndose complejos compuestos de silicatos y aluminatos que aumentan lentamente la resistencia de la muestra con el tiempo (acción puzzolánica).
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Debe evitarse elaborar mezclas con suelos que contengan materia orgánica ya que los ácidos orgánicos interactúan con los iones de calcio dificultando su acción aglutinante; también es nociva la presencia de sulfatos o de cualquier otro compuesto que pueda privar al cemento de la humedad necesaria para su correcta hidratación. Para trabajos con arcilla es aconsejable añadir previamente una pequeña cantidad de cal al suelo para facilitar su manejo y su pulverización.
Factores que afectan la mezcla suelo-cemento.
Tipo de suelo: La mezcla se ve afectada por su composición química y su granulometría. En el articulo 341 se aclara que el material por estabilizar con cemento no podrá contener más del cincuenta por ciento (50%) en peso de partículas retenidas en el tamiz de 4.75mm, ni más del 50% en peso de partículas que pasen el tamiz No 200. Además el tamaño máximo no podrá ser mayor de 75 mm, ni superior a la mitad del espesor de la capa compactada. Adicionalmente la fracción inferior al tamiz No 40 debe tener un límite líquido inferior a 35 y un índice plástico menor de 15 determinado según las normas INV E126.En cuanto a la composición química, el suelo no puede exceder el 0.5% en peso de sulfatos.
Cantidad de cemento: El diseño de la mezcla se hace en laboratorio y los ensayos utilizados pueden ser : el de humedecimiento y secado y el de compresión simple. La resistencia de una mezcla suelo-cemento se ve favorecida por el aumento de la temperatura, sin embargo, la obtención de resistencias muy altas no es aconsejable por su susceptibilidad al agrietamiento, es por esto que se considera que un suelocemento cumple con las exigencias de un pavimento flexible hasta una resistencia máxima de 56 Kg/cm2. El cemento a utilizar debe ser de tipo Portland y debe cumplir con lo especificado en las normas ICONTEC 121 y 321
Cantidad de agua que se agrega a la mezcla: Para el diseño se usa el ensayo de proctor estándar ya que proporciona una humedad óptima mayor a la del proctor modificado. El agua a utilizar debe ser limpia y estar libre de materia orgánica , su pH debe estar entre 5.5 y 8.0 y el contenido de sulfatos no puede ser superior a un gramo por litro.
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Compactación de la mezcla: Nunca deben pasar más de dos (2) horas entre la mezcla y la compactación.
Curado de la Mezcla:
Incorporación de aditivos en la mezcla: según resultados de laboratorio los efectos de la aplicación de aditivos no son significativos.
En caso de construcción de un suelo cemento, empleando el suelo del lugar, se siguen los siguientes pasos: 1. Se perfila el camino transversal y longitudinalmente. 2. Se escarifica el suelo en el espesor adecuado de acuerdo al diseño del pavimento. 3. Cuando sea necesario se pulveriza el suelo hasta que se cumpla 100% las especificaciones. 4. Se distribuye el cemento Portland sobre el suelo a tratar, su distribución se hace según la cantidad definida previamente en el laboratorio. 5. Se mezcla el suelo con el cemento y se aplica la cantidad correcta de agua para una buena compactación y una buena hidratación del cemento. La mezcla puede hacerse con una mezcladora en tránsito de paso sencillo, si no se dispone de ella se puede hacer con una mezcladora de paso múltiple o con un arado de discos. 6. Se procede a la compactación hasta alcanzar la densidad mínima exigida en las especificaciones la cual suele ser el 98% de la densidad máxima del proctor estándar. Deben hacerse verificaciones para garantizar la resistencia de la capa. 7. Se eliminan los planos de compactación y luego se perfila la superficie para hacer después una compactación final con rodillo neumático. 8. Como paso final se realiza el curado, que generalmente se hace aplicando un riego de asfalto líquido RC 250 o una emulsión asfáltica en proporción de 0.7 a 1.4 litros por metro cuadrado sobre la superficie del suelo cemento la cual debe encontrarse libre de materiales extraños y bastante húmeda.
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL. Principalmente se usa el hidróxido de calcio (cal apagada). La estabilización con cal es similar a la hecha con cemento de la cual se diferencia en:
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El rango de aplicación de la cal es de preferencia en suelos arcillosos. La cal puede ser utilizada como un pretratamiento para su posterior estabilización con otro aditivo, ya que proporciona maleabilidad al suelo.
Al aplicar cal en el suelo esta actúa sobre sus propiedades así: Disminuye la plasticidad del suelo, pues eleva el límite plástico. Modifica la textura del suelo, producida por la floculación de las partículas de arcilla por la acción de la cal. Disminuye los cambios volumétricos del suelo debido a la modificación de la estructura mineralógica de las arcillas. Aumento del pH del suelo, pasa de ácido a alcalino. Disminución de la densidad y aumento de la resistencia. La cal tiende a esponjar el suelo disminuyendo su densidad; la resistencia por el contrario aumenta con el contenido de cal. Generalmente con bajos contenidos de cal no se obtienen aumentos de resistencia significativos, por cuanto el suelo recién se está saturando de cal y mejorando su trabajabilidad, pero una vez que se alcanza ese punto de saturación la resistencia comienza a crecer pero no de manera indefinida, pues a partir de cierto punto permanece constante o empieza a decrecer. La construcción de un suelo estabilizado con cal, es básicamente igual a la de un suelo cemento por lo que deben seguirse los mismos pasos, teniendo en cuenta las siguientes observaciones: 1. La pulverización del suelo puede resultar más difícil por su carácter arcilloso, por lo cual es conveniente añadir en un principio una cantidad de cal (la correspondiente al punto de fijación), mezclarla con un equipo sencillo y esperar unos días para que los terrones se ablanden y se mejore la maleabilidad del suelo, después de este procedimiento puede hacerse la pulverización y mezcla con la cal restante. 2. La cal puede añadirse con agua en forma de lechada. Este procedimiento puede ser adecuado en zonas de poca humedad o en donde la presencia de polvo puede ser un problema serio. 3. Aunque es importante el curado, este no es tan crítico como en las mezclas suelo cemento.
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ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON ASFALTO. Este tipo de estabilización consiste en la aplicación de productos bituminosos como asfaltos líquidos, emulsiones asfálticas y alquitrán; sus objetivos son: en los suelos friccionantes procurar dar una acción ligante que junto con la fricción propia del suelo evite deformaciones bajo la acción del tránsito, en suelos cohesivos su objetivo es impermeabilizarlo y protegerlo contra la acción del agua. La granulometría no es esencial, pero con frecuencia se exigen ciertos requisitos de tipo general:
Tamaño máximo de las partículas menor de 1/3 del espesor de la capa compactada. Más del 50% del material debe pasar el tamiz de 4.76 mm. y más del 35% el de 0.425. Entre 10 y 15% debe pasar el tamiz No. 200. El límite líquido de la fracción fina no puede ser mayor de 40 ni el índice plástico superior a 18.
Diseño de las mezclas: La determinación del porcentaje óptimo de asfalto que debe intervenir en la estabilización, depende básicamente del objetivo buscado. En el caso de suelos friccionantes, a los cuales el asfalto les brinda la cohesión que no tienen, lo que se intenta es buscar la máxima resistencia posible, lo cual se logra añadiendo el contenido óptimo de asfalto determinado por medio de uno de los ensayos corrientes de estabilidad como el Hubbard-Field modificado, el Marshall para mezclas con asflatos líquidos o el de penetrómetro de cono. Cuando se estabiliza un suelo cohesivo, lo que se pretende es que el asfalto le brinde estabilidad ante el agua, caso en el cual la dosificación puede obtenerse a partir de ensayos de absorción de agua. En el caso de suelos granulares de buena gradación, pero con finos excedidos de plasticidad, la estabilización con asfalto produce un buen medio para neutralizar su acción perjudicial y hacer apto el material para la construcción. En este caso el ensayo más
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utilizado es el CBR con el cual se busca que la mezcle presente buena resistencia y a la vez estabilidad suficiente a la absorción.
Construcción: La elaboración de una capa de suelo estabilizada con asfalto está compuesta por los siguientes pasos: 1. La capa de apoyo debe prepararse de modo que esté correctamente compactada, lisa y con el perfil adecuado. Sobre ella se coloca un riego de protección de asfalto líquido. 2. Se coloca el agregado a estabilizar en cordones en la cantidad y proporciones adecuadas para obtener la gradación especificada y el espesor compacto especificado en el diseño. 3. Se le añade la cantidad de agua que se juzgue conveniente para que la mezcla sea apropiada. Este paso es muy importante en estabilización con emulsiones asfálticas. 4. Se añade la cantidad de asfalto, especificada por pruebas de laboratorio. 5. Se hace una mezcla cuidadosa para garantizar la incorporación correcta del ligante. Sin embargo el mezclado no puede ser excesivo ya que provoca pérdidas de resistencia. La mezcla no puede efectuarse si la temperatura ambiente es muy baja. 6. La mezcla debe airearse lo suficiente para que los solventes se evaporen, en caso de usar asfalto líquido. Y hasta que la humedad sea la especificada cuando se usan emulsiones asfálticas. 7. Se extiende la mezcla y se compacta primero con un rodillo liso y luego con neumático, hasta alcanzar la densidad exigida en las especificaciones. 8. Se permite un período de curado de dos d 1as antes de dejar pasar el tránsito por la capa estabilizada. Si con el paso de los vehículos se observa desprendimiento de material, se suspende el tránsito y se somete la capa a una nueva compactación en a las horas de mayor temperatura, hasta que cese el fenómeno.
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Otros medios químicos de estabilización.
Con ácido fosfórico. Es muy efectiva, pero las cantidades requeridas son similares a las de cemento y cal siendo su costo muchas veces mayor por lo cual es económicamente impracticable.
Con cloruro de sodio. Es apropiado en todo tipo de suelos, menos en los que contienen materia orgánica. La adición de sal produce pequeñas modificaciones en los límites líquido y plástico, aumentos en la humedad óptima de compactación y disminuciones en la densidad máxima y en la resistencia a la compresión inconfinada. Su principal desventaja es la alta solubilidad de la sal.
Con soda cáustica. Su uso es limitado por sus costos, sus efectos cáusticos y la carbonatación rápida que sufre al contacto con el aire. Da buenos resultados en suelos lateríticos facilitando su compactación.
Uso de polímeros y resinas. Pueden utilizarse solo como impermeabilizantes ya que no producen aumentos en la resistencia.
