UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍ CENTRO DE ESTUDIOS DE POSGRADO
TESIS Previa a la Obtención d el Grado Grado Ac adémi adémico co de: MAGISTER EN CONSTRUCCIÓN DE OBRAS VIALES
TEMA: ESTABILIZACIÓN ESTABIL IZACIÓN DE SUELOS SUELOS PARA ATENUAR EFECTOS DE PLASTICIDAD DEL MATERIAL DE SUBRASANTE DE LA CARRETERA CARRETERA MONTECRISTI MONTECRISTI - LOS L OS BAJOS BAJ OS
AUTOR: ING. RONALD PASTOR DELGADO ALVIA. TUTOR: DR. ING. EDUARDO TEJEDA PIUSSEAUT MG. SC.
PORTOVIEJO PORTOVIEJO – MANABÍ MANA BÍ – ECUADOR 2011
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR
ESTABIL IZACIÓN DE SUELOS En mi calidad de Director de la Tesis: “ ESTABILIZACIÓN PARA ATENUAR EFECTOS DE PLASTICIDAD DEL MATERIAL DE SUBRASANTE DE LA CARRETERA MONTECRISTI - LOS BAJOS, ”, del autor: Ing. Ronald Pastor Delgado Alvia; perteneciente a los estudios de maestría en Construcción de Obras Viales de la Universidad Técnica de Manabí.
CERTIFICO: Que el Mencionado Trabajo, acogió e incorporó las sugerencias realizadas por los miembros del tribunal de sustentación referentes a: Incluir los datos de los resultados de caracterización del suelo, CBR y detalle de la toma toma de de muestras; muestras; Análisis de los costos costos de las estabilizaciones con Cal, cemento, Reposición de material de Mejoramiento y arena, Espesores recomendados para las estabilizaciones; Análisis de Hinchamiento o esponjamiento; entre otros los cuales ha elaborado con entera responsabilidad por parte del maestrante Ing. Ronald Pastor Delgado Alvia, con el fin de obtener el Titulo de Magister Magister en Obras Viales, de conformidad conformidad a las disposiciones reglamentarias para el efecto.
Portoviejo, 22 Ene Enero ro de dell 2012
D r . Ed u a r d o T e j e d a P i u s s e a u t
Director de Tesis Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría, CUBA
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR
ESTABIL IZACIÓN DE SUELOS En mi calidad de Director de la Tesis: “ ESTABILIZACIÓN PARA ATENUAR EFECTOS DE PLASTICIDAD DEL MATERIAL DE SUBRASANTE DE LA CARRETERA MONTECRISTI - LOS BAJOS, ”, del autor: Ing. Ronald Pastor Delgado Alvia; perteneciente a los estudios de maestría en Construcción de Obras Viales de la Universidad Técnica de Manabí.
CERTIFICO: Que el Mencionado Trabajo, acogió e incorporó las sugerencias realizadas por los miembros del tribunal de sustentación referentes a: Incluir los datos de los resultados de caracterización del suelo, CBR y detalle de la toma toma de de muestras; muestras; Análisis de los costos costos de las estabilizaciones con Cal, cemento, Reposición de material de Mejoramiento y arena, Espesores recomendados para las estabilizaciones; Análisis de Hinchamiento o esponjamiento; entre otros los cuales ha elaborado con entera responsabilidad por parte del maestrante Ing. Ronald Pastor Delgado Alvia, con el fin de obtener el Titulo de Magister Magister en Obras Viales, de conformidad conformidad a las disposiciones reglamentarias para el efecto.
Portoviejo, 22 Ene Enero ro de dell 2012
D r . Ed u a r d o T e j e d a P i u s s e a u t
Director de Tesis Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría, CUBA
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍ CENTRO DE ESTUDIOS DE POSGRADO
TEMA: “ ESTABILIZACIÓN DE SUELOS SUELOS PARA ATENUAR EFECTOS EFECTOS DE PLASTICIDAD DEL DEL MATERIAL DE SUBRASANTE DE LA CARRETERA MONTECRIS MONTECRISTI TI - LOS BAJOS” .
TESIS DE GRADO
Sometida a consideración del Tribunal de Revisión y Sustentación y legalizada por la comisión Académica del Centro de Posgrado como requisito previo a la obtención del grado de: MAGISTER EN CONSTRUCCIÓN DE OBRAS VIALES APROBADA APROB ADA POR:
Ing. Mara Molina de Lozano Ms.Sc. PRESIDENTA DEL TRIBUNAL
Dr. Ing. Gonzalo Fundora Ayuso
Dr. María Liliana Alba Menéndez
MIEMBRO DEL TRIBUNAL
MIEMBRO DEL TRIBUNAL
Dr. Ing. José Salvador Uzcategui MIEMBRO DEL TRIBUNAL II
DEDICATORIA.
A mi esposa Amira Monserrate Panchana Campuzano, por ser un apoyo constante en mis principales proyectos y decisiones. A mis hijas Olga, Thalía y Anahi, que se constituyen en mi fortaleza para seguir mejorando día a día, deseo dejarles un ejemplo a seguir. A mis Padres José Norberto Delgado Lucas y Olga Marina Alvia Bello, que desde mi infancia nunca desmayaron en apoyarme espero retribuir y dedicarles este título por todo el esfuerzo realizado.
III
AGRADECIMIENTO. A Dios, por regalarme la vida y la aptitud como profesional, por darme y el privilegio de haber participado en la maestría vial. Me es grato agradecer a todos y cada uno de los profesores de la maestría vial
tanto nacionales como extranjeros, que cumplieron a
cabalidad y con excelencia supieron transmitir sus conocimientos y experiencias. Agradezco a la Universidad Técnica de Manabí, por emprender este proyecto de Maestría Vial, que estoy convencido va a generar sus frutos a corto plazo. Me permito agradecer al Consejo Provincial de Manabí, por el apoyo brindado facilitando el Laboratorio de Suelos para la realización de ensayos. Finalmente agradezco a mi Tutor de Tesis el Dr. Eduardo Tejeda Piusseaut, por su disposición y haberme brindado su valiosa ayuda en la culminación de mí proyecto.
IV
Autoría de Tesis
Yo, Ronald Pastor Delgado Alvia , declaro que soy autor del presente trabajo: “Estabilización De Suelos Para Atenuar Efectos De Plasticidad Del Material de Subrasante de la Carretera Montecristi - Los Bajos”, en opción al Grado de Máster en la Maestría Construcción de Obras Viales, organizado por el Centro de Estudios de Postgrado de Universidad Técnica de Manabí.
Ing. Ronald Pastor Delgado Alvia.
V
ÍNDICE TEMÁTICO Resumen ejecuti vo. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Capítulo I Prob lema de investi gación. . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . ….
7
1.1 Planteamiento del problema. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.1.1 Análisis crítico. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . …..
7
1.1.2 Prognosis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . ……..
8
1.
1.2 Formulación del problema a investigar . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . ... .
9
1.2.1 Preguntas directrices de la investigación . .. . . . . . . . . . . . . .
9
1.3 Delimitación del problema. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .
10
1.3.1 Campo de estudio . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . ..
10
1.3.2 rea de la ciencia. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . …..
10
1.3.3 Aspectos principales a investigar . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .
11
1.3.4 Espacio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . …. .
11
1.3.5 Tiempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . … .
11
1.4 Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . …
11
1.5 Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
11
1.5.1 Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . ….. .
11
1.5.2 Objetivos específicos . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . ……….
12
2. Capítulo II Marco teórico. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
2.0 Antecedentes investigativos. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
2.1 Fundamentación filosófica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.2 Categorías fundamentales. Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.2.1 Estabilización con cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.2.2 Estabilización con Cal . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .
31
2.2.3 Investigaciones sobre el comportamiento de los suelos con
40
adición de cal o cemento. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Selección del CBR de diseño . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Fundamentación legal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
41 44
2.4 Hipótesis y variables. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .
47
2.4.1 Planteamiento de hipótesis . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. .
47
2.4.2 Variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . ..
47
2.5 Definición de términos. . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . …
48
3. Capítulo III Materiales y Métod os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …
52
3.1 Tipo de investigación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
3.2 Población y muestra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .
54
3.3 Técnicas e instrumentos de recolección de datos . .. . . . . . . . . . . .
54
3.4 Levantamiento de la información. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
4. Capítulo IV Resultados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
4.1 Análisis de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
64
4.1.1 Descripción del caso de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
64
4.1.2 Datos obtenidos del trabajo de campo en el tramo de vía . . . .
65
4.2 Descripción de resultados . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . …
66
4.3 Discusión de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . ..
75
4.4 Verificación de hipótesis . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
5. Capítulo V Conc lusiones y recomendaciones. . . . . . . . . . . . . . .
78
5.1 Conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . …
78
5.2 Recomendaciones. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
6. Capítulo VI Bibl iografía. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
81
7. Anexos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . ……. . . . . . . . .
85
VII
RESUMEN EJECUTIVO Los suelos de Subrasante, en la Provincia de Manabí presentan características negativas relacionadas con el mal comportamiento ante la presencia de humedad. El propósito de estabilizar los suelos es alterar sus propiedades físicas, mejorar las condiciones de plasticidad, incrementar su resistencia y durabilidad con el fin de obtener un material de cimentación satisfactorio para un determinado uso. Los materiales más utilizados en el mundo con estos fines en la construcción de carreteras son: el cemento, la cal, el asfalto, y la arena. La eficiencia de los procesos de estabilización utilizando estos materiales depende de diversos factores, como el tipo de suelo, los parámetros resistentes a obtener, los conglomerantes disponibles en el entorno y las condiciones climatológicas durante la ejecución de los trabajos. La investigación desarrollada ha incluido trabajo de laboratorio, de campo,
y documental, partiendo de la realización de un muestreo
representativo de un suelo de subrasante, para determinar el conglomerante más adecuado para su estabilización. Se realizaron ensayos para la dosificación de la mezcla, y el análisis de la influencia del conglomerante en las características de los suelos. También se brindan recomendaciones sobre las características que deben cumplir los suelos para que puedan ser estabilizados económicamente con cal o cemento.
1
ABSTRACT. The floors of Subrasante, in the County of Manabí present negative characteristics related with the bad behavior before the presence of humidity. The purpose of stabilizing the floors is to alter its physical estates, to improve the conditions of plasticity, to increase its resistance and durability with the purpose of obtaining a satisfactory foundation material for a certain use. The most utilized materials in the world with these ends in the construction of highways are: the cement, the lime, the asphalt, and the sand. The efficiency of the stabilization processes using these materials depends on diverse factors, as the floor type, the resistant parameters to obtain, the available conglomerantes under the environment and the climatological conditions during the execution of the works. The developed investigation has included laboratory work, of field, and documental, leaving of the realization of a representative sampling of a subrasante floor, to determine the most appropriate conglomerante for its stabilization. They were carried out rehearsals for the dosage of the mixture, and the analysis of the influence of the conglomerante in the characteristics of the floors. Recommendations are also offered on the characteristics that should complete the floors so that they can be stabilized economically with lime or cement.
2
INTRODUCCIÓN
3
INTRODUCCIÓN. Las técnicas de estabilización de suelos han experimentado un gran desarrollo en el mundo durante los últimos años. Ello se ha debido a varios factores: la necesidad de reutilización de los materiales del pavimento, por motivos medioambientales; elevar la capacidad de soporte ante unos tráficos cada vez mayores y al desarrollo de equipos y maquinarias disponibles para la ejecución de este tipo de obras. Las capas estabilizadas han demostrado una mayor fiabilidad y durabilidad ante el tráfico y a climatología, debido a su mayor capacidad resistente y a su menor susceptibilidad al agua. Todo ello ha motivado que las normas de carreteras contemplen de forma preferente las capas estabilizadas dentro de las posibles soluciones para la construcción de los rellenos y la formación de las explanadas. Por las características geológicas en la Provincia Manabí, los suelos de subrasante, poseen altos índices de plasticidad. El funcionamiento a largo plazo de cualquier proyecto de construcción depende de la calidad de los suelos subyacentes. Los suelos inestables pueden crear problemas significativos en las estructuras y pavimentos. La utilización de técnicas de construcción apropiadas para el tratamiento del suelo de subrasante con el uso de algún conglomerante, transforma químicamente el material inestable en utilizables. Para esto es importante realizar los estudios necesarios que permitan la correcta elección del conglomerante, pues de ello depende la obtención de los resultados esperados. Hay que tener en cuenta que los suelos y materiales disponibles, en cada proyecto u obra, serán diversos, por lo tanto, debe realizarse un estudio que analice todos los tipos de suelos y materiales susceptibles de ser estabilizados.
4
En nuestra región no existe ni se conoce antecedente relacionado con el tema investigativo; el autor pretende una investigación experimental basada en la aplicación práctica, recopilación de
información y
experiencias. Esta investigación se ha desarrollado siguiendo una metodología de campo, experimental y documental, que incluye: a) El muestreo representativo orientado a caracterizar el tipo de suelo de subrasante, tomando como punto de partida las propiedades índices de los materiales (granulometría y plasticidad). b) La determinación del conglomerante más adecuado para la estabilización del suelo. c) Ensayos de dosificación necesarios para alcanzar los parámetros resistentes exigidos o los objetivos buscados. d) La caracterización de la mezcla mediante la obtención
de la
resistencia a compresión simple y valor soporte del material de subrasante estabilizada con el conglomerante seleccionado. e) Análisis de la influencia del conglomerante en las características de los suelos. f)
Recomendaciones sobre las características los suelos para que puedan ser estabilizados económicamente con cal o cemento.
Según los estudios realizados en el laboratorio de suelo, las características granulométricas y plásticas que presenta el suelo de subrasante en el área de estudio, condicionaron el uso de la Cal como conglomerante estabilizador. La estabilización de suelos con cal ha sido utilizada en otros países con gran éxito, logrando aumentar la vida útil de las carreteras, que resultan soluciones competitivamente económicas, ofreciendo mejores superficies e indiscutiblemente presentan un mejor desempeño ante condiciones de humedad extrema.
5
CAPÍTULO I
6
CAPÍTULO 1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN. 1.1
Problema de la investigación.
Los suelos existentes en la región de Manabí, presentan características negativas, relacionadas con el mal comportamiento ante la presencia de humedad. La mejora de las propiedades de plasticidad añadiendo cemento o cal, pueden resultar un procedimiento adecuado, para lograr un mejor comportamiento de estos suelos como sub-rasante de las carreteras y calles. 1.1.1 Análisi s crítico
En nuestro país la red vial siempre ha tenido reiteradas obras de conservación y rehabilitación que no han
arrojado los resultados
esperados, sino que a corto plazo han presentado fallas, especialmente deformaciones o asentamientos. En Manabí gran parte de las vías tienen cimientos con suelos arcillosos, además de que los drenajes son usualmente deficientes. La carretera en estudio Montecristi-Los Bajos, no es la excepción, se han hecho varios trabajos de conservación, y siempre ha fallado la explanación, por esto se analiza la forma en que pueden ser reducidas las propiedades plásticas de la sub-rasante, mediante su estabilización. Para la investigación no se dispuso de datos previos para analizar y diagnosticar el comportamiento de la sub-rasante en la vía objeto de estudio. No existían registros estadísticos de
tráfico vehicular, para
conocer el nivel de solicitaciones que ha recibido, tampoco información sobre estudios del suelo, que permita el análisis de las características y propiedades plásticas de la sub-rasante para conocer si es factible una estabilización del suelo con cemento o cal, como modo de atenuar los efectos negativos de su plasticidad. Por esta razón en el trabajo se 7
incluye un estudio detallado de las características del suelo y luego se procede a su estabilización, para conocer los cambios producidos en estas características y en su resistencia.
1.1.2 Prognosis
Los suelos arcillosos y expansivos que existen en las carreteras de nuestra Provincia, no han tenido una investigación, ni una aplicación relacionada con el tema que se plantea en esta investigación. No existe ni se conoce ningún tipo de investigación relacionada con la estabilización de suelos con cemento o cal, para atenuar los efectos negativos de la plasticidad del material de sub-rasante en la vía estudiada. El empleo de la estabilización de suelos, como solución para mejorar las características del material lleva a ahorros considerables, ya que las exigencias del tráfico, cada vez creciente, exige que las resistencias de la subrasantes sean más elevadas, y los materiales locales no permiten su utilización por si solos, y necesitan ser mejorados. La estabilización con cal o cemento, conducirá a la reducción de los espesores de corona y al mayor empleo de materiales locales. La no utilización de estas soluciones trae gastos innecesarios debidos al acarreo de suelos de canteras, más alejadas para ser empleadas como material de mejoramiento en las subrasantes de las obras viales.
8
1.2
Form ulación del problema a investigar.
De los antecedentes expuestos, según el planteamiento del problema, se necesita una investigación con el propósito de verificar si la estabilización del suelo, añadiendo un porcentaje de cemento o cal permite atenuar los efectos de la plasticidad del material utilizado como sub rasante de los viales y por ende se logra la reducción de los costos. El problema se plantea a través del siguiente interrogante: ¿la estabilización del suelo, añadiendo un porcentaje de cemento o cal, permite atenuar los efectos negativos de plasticidad? 1.2.1 Preguntas dir ectric es de investi gación.
Hay distintas maneras de presentar y satisfacer cada dificultad de la investigación planteada, con la sistemática que se necesita aplicar, por ello se parte de las siguientes preguntas directrices: a) ¿Es factible atenuar los efectos de plasticidad en el material usado en la sub- rasante del pavimento, estabilizando el suelo, añadiéndole como aditivo un porcentaje de cemento o cal? b) ¿Qué modificaciones ocurren en las características del suelo si se estabiliza el suelo con cemento o cal? c) ¿Qué ventajas técnico-económicas ofrecen los métodos de estabilización de suelos? d) ¿Con que maquinarias existentes en Manabí se pueden estabilizar los suelos? e) ¿Qué características han de tener los suelos para que puedan ser estabilizados económicamente con cemento o cal?
9
1.3
Delimitación del problema.
Este proyecto se realizará en la Carretera Montecristi-Comunas Bajo de Afuera, Bajo de Pechiche, en la Provincia Manabí y tendrá una duración de seis meses. Para el desarrollo del trabajo será necesaria la recopilación de datos de tráfico, pruebas en laboratorio de suelos, así como el análisis de las variaciones que experimentan con los aditivos y de su comportamiento. 1.3.1 Campo
El campo en el que se desarrolla la investigación es la Geotecnia Vial. 1.3.2 Área
Se desarrolla en el área de la capacidad resistente de los suelos in situ y su mejoramiento mediante procedimientos de estabilización. 1.3.3 Aspectos
Son aspectos fundamentales de la investigación:
Caracterización de los suelos como subrasantes de carreteras.
Selección del conglomerante más apropiado para la estabilización.
Diseño de mezclas para la mejora de los suelos, utilizando aditivos.
Determinación de la capacidad resistente de los suelos antes y después de estabilizados, aplicando distintos porcentajes del contenido del conglomerante seleccionado.
Influencia del aditivo empleado en las características plásticas y resistencia a CBR.
10
1.3.4 Espacio
La investigación se realizó en La Carretera Montecristi – Comunas Bajo de Afuera, Bajo de Pechiche Provincia Manabí. 1.3.5 Tiempo
La investigación se desarrolla en 6 meses.
1.4
Justificación.
La carretera Montecristi-Comunas Bajo de Afuera, Bajo de Pechiche, brinda a los usuarios, especialmente del sector Norte de la provincia de Manabí, un enlace más cercano para acceder a la vía Turística conocida como Ruta del Spondylus, e inclusive para acortar distancia con la Península de Guayaquil. Por tal razón, periódicamente en esta vía se trasporta carga pesada, como tanqueros de combustible y plataformas cargadas de sal, provenientes de la provincia del Guayas. Con los resultados que se obtengan en esta investigación se podría demostrar que es muy posible mejorar las propiedades de los materiales de la sub-rasante atenuando así los efectos negativos de la plasticidad, mediante procedimientos probados a nivel internacional y que resultan factibles desde el punto de vista económico.
1.5
Objetivos.
1.5.1
Objetivo general.
Analizar el efecto del incremento de aditivo (Cal o Cemento) en el suelo sobre la reducción de la plasticidad, para mejorar su comportamiento como sub-rasante de carreteras.
11
1.5.2
Objetivos específicos.
a) Plantear un diseño experimental donde se estudie la influencia del cemento o cal como aditivo en la reducción de la plasticidad. b) Estudiar la variación en el comportamiento de la resistencia del suelo con el incremento del contenido de cal o cemento. c) Estudiar la influencia de la humedad sobre el suelo estabilizado.
12
CAPÍTULO II
13
CAPÍTULO CAPÍTUL O 2
MARCO TEÓRICO.
2. Marco teórico. 2.0 Antecedentes investigativos.
En Europa, la normativa vigente de diseño o construcción de pavimentos contempla el empleo de cal y cemento para el mejoramiento de suelos. En casos singulares puede plantearse el empleo de otros estabilizantes o la mezcla de cal o cemento con otros materiales que refuercen su acción conglomerante. Por ejemplo, algunas escorias, cenizas volantes y otros tipos de residuos, al mezclarlos con cal, se activan y mejoran sus propiedades. De esta forma, se logra estabilizar un suelo de forma más económica y valorizando un residuo. r esiduo. El cuerpo de ingenieros de la Armada Norteamericana (Department of The Army, The Navy, and The Air Force, 1994) ha desarrollado una Metodología de diseño de mezcla de suelos estabilizados con cal, basada en los siguientes aspectos: 1 Determinación del contenido contenido inicial de cal cal mediante mediante la valoración valoración del del pH de varias muestras de suelo-cal preparadas con diferentes niveles o dosificaciones (2%, 4%, 6%, 8 %). El contenido de cal más bajo con el cual se logra un pH más cercano a 12,4 será el contenido estimado inicial de cal. 2 Utilizando el el contenido contenido inicial inicial de cal, se realiza un ensayo Proctor (humedad-densidad), para determinar la densidad máxima y el contenido de óptimo de humedad. El El ensayo de densidad humedad deberá realizarse de acuerdo con la norma ASTM D 1557 (Próctor Modificado). 14
3 Preparar muestras muestras para tres contenidos diferentes de cal, cal, para los ensayos de compresión simple y durabilidad. Los contenidos de cal para las pruebas serán: (a) contenido de cal inicial; (b) contenido de cal inicial más 2 % y (c) contenido de cal inicial más 4 %. Los especímenes especíme nes preparados se deberán deberán curar por un periodo de 28 días a 23 ºC. También se puede utilizar un curado acelerado por 48 h a 49 ºC. 4 Tres especímenes especímenes se ensayan ensayan a compresión compresión de acuerdo acuerdo con el procedimiento ASTM D1633, y otros tres especímenes se someten al ensayo de durabilidad durabilidad conforme conforme a la norma ASTM D559. 5 Se comparan los resultados resultados obtenidos obtenidos con los requerimientos requerimientos solicitados, de acuerdo con las especificaciones contractuales. El contenido de cal más bajo, que cumpla con los requerimientos de resistencia a compresión y demuestre demuestre la durabilidad durabilidad requerida, será el contenido de cal de diseño. La National Lime Association de los Estados Unidos, evaluó varios procedimientos para el diseño de mezclas estabilizadas estabilizadas con cal, con el fin de obtener un método definitivo que pueda ser utilizado para diversos tipos de suelo y climas: 1) Evaluar las propiedades claves del suelo como un paso inicial para
determinar si el suelo suelo es adecuado adecuado para ser estabilizado estabilizado con cal. cal. 2) Determinación de la demanda estimada inicial de cal. El porcentaje
más bajo de cal en el suelo que alcanza un pH en laboratorio de 12,4 es el porcentaje mínimo de cal para estabilizarlo. 3) Determinación del contenido de óptimo humedad y la máxima
densidad seca del suelo tratado con con cal, mediante mediante el procedimiento procedimiento ASTM D698 (Próctor estándar). 15
4) Fabricación de los especímenes para compresión,
mediante el
procedimiento ASTM D5102. La muestra debe de ser almacenada en una bolsa sellada e impermeable por 1 h – 24 h antes de fabricar el espécimen de ensayo. 5) Curado
y confinamiento de los espécimen de compresión,
inmediatamente después de la fabricación de las mezclas, debe ser envueltos en plásticos y sellados en una bolsa impermeable. 6) Determinación de la compresión de los especímenes curados y
condicionados en humedad. Utilizar el procedimiento ASTM D5102 B para determinar la compresión de los especímenes. Muchas agencias de Norte América y el Departamento of The Army, The Navy, and The Air Force. 1994, han adoptado una guía general para la selección del aditivo a utilizarse en las estabilizaciones de suelos, logrando obtener resultados efectivos. Tabla 2.1. Tipos de estabilización según t ipo de suelos
16
Otra ayuda en la selección de un agente estabilizador es sin lugar a dudas el Triangulo de gradación y la tabla adoptada por el Departament of The Army, The Navy, and The Air Force. 1994.
Figura 2.1. Triángulo de gradación. Departament of The Army, The Navy,
La Tabla 2.2 Guía general para la selección del aditivo Air Force. 1994. Tabla 2.2. Adit ivos r ecomendados según ti pos de suelos.
17
La mayoría de las agencias de los Estados Unidos de América, entre ellas: I llinois, Louisiana, Texas y Virginia, han adoptado la resistencia a la compresión no confinada (RCI) como parámetro para diseño de la mezcla suelo-cal, y no existe un procedimiento universal para la elaboración, curado y ensayo de las probetas. Tabla 2.3. Sistemas de curado d e probetas y requisi tos de resist encia en algunas agencias de los Estados Unido s de América
2.1
Fundamentación fil osóf ica.
El tema investigativo se enfocará experimentalmente hacia el análisis del comportamiento del suelo estabilizado con cal y su influencia en la reducción del efecto negativo de la plasticidad y en el incremento del CBR de la sub rasante. Como antecedente a este proyecto, durante el año 2008 se presenta por parte de la Unidad de Investigación en Infraestructura Vial, El LanammeUCR, una guía práctica para la estabilización y mejoramiento de rutas no pavimentadas en Costa Rica, basada en experiencias internacionales y tomando en cuenta la factibilidad de la aplicación de las diferentes técnicas.
18
En la Guía se definen dos modos de estabilizaciones, que dependen de los objetivos esperados, que son: Modificación y/o Estabilización; el primero cuando se enfoca en mejorar características tales como graduación, trabajabilidad y plasticidad, para las cuales se requieren cantidades mínimas de aditivos (modificación o mejoramiento de materiales), por otra parte cuando el objetivo es mejorar propiedades como resistencia y durabilidad de manera significativa, se necesitan cantidades mayores de aditivos (estabilización de materiales). El procedimiento a utilizar en la investigación es para la estabilización de suelos con cal; empleando el procedimiento general adoptado en muchos países y desarrollado por la Unidad de Investigación en Infraestructura Vial El LanammeUCR. La figura 2.2 contiene un esquema del procedimiento.
Figura 2.2. Procedimiento de diseño del material (cal y cemento) El LanammeUCR:
19
En el VIII Congreso Nacional de FIRMES, se presentaron las normas españolas, que recomiendan los siguientes aspectos para la selección del conglomerante más eficiente en la estabilización de suelos:
A. Tipo de suelo o m ater iales a estabilizar
Tras un estudio geotécnico de todos los tipos de suelos que se vayan a emplear, se debe decidir qué conglomerante es el más adecuado. No sirve cualquier conglomerante para cualquier tipo de suelo, lo que es una de las razones de algunos fracasos en obras de este tipo. En general, puede afirmarse que los suelos plásticos, arcillosos, reaccionan bien con la cal, mientras que los suelos granulares, no plásticos, reaccionan bien con el cemento. Los dos parámetros que mejor pueden clasificar un suelo de cara al conglomerante más adecuado son la plasticidad y la granulometría. Los suelos con un Índice de Plasticidad menor o igual a 12 son suelos que reaccionarán mejor con el cemento. Los suelos cuyo I.P. sea mayor de 20 son suelos cohesivos, que reaccionarán mejor con la cal. Y los suelos cuyo I.P. esté entre 12 y 20, serán suelos más aptos para una estabilización mixta. En el caso de suelos muy plásticos, con valores de l I.P. superiores a 40, se debe realizar la estabilización con cal, y en dos etapas, para mejorar su
eficacia. Analizando la granulometría, lo que más importancia tiene es la fracción fina del suelo. En el caso de suelos muy finos, con más del 50% que pase el tamiz de 63µm, son claramente suelos aptos para reaccionar mejor con la cal. 20
Si el porcentaje de finos es menor del 35%, son suelos aptos para el cemento. Y los suelos cuya fracción fina se encuentre entre el 35 y 50%, serán suelos mejores para una estabilización mixta cal + cemento. Puede haber casos especiales en los que, a pesar de ser suelos muy finos, no sean plásticos. En estos casos, deberán realizarse pruebas con la cal y con el cemento para determinar cuál de ellos actúa mejor sobre el suelo. Este mismo planteamiento es el que debe realizarse ante el estudio del tratamiento de cualquier otro tipo de material o residuo. Como ya se ha dicho antes, también puede plantearse el empleo de la cal o el cemento conjuntamente con algún otro material o subproducto, de tal forma que se potencien sus propiedades cementantes u otras características. Es el caso de algunas escorias, cenizas volantes y residuos de vidrio, muy empleados en países europeos y en Estados Unidos. En estos casos, la tipología de suelos que se puede estabilizar es más amplia. B. Parámetros u obj etivos buscados
Una vez definido el conglomerante o combinación de ellos más adecuada, deberán realizarse los ensayos de dosificación necesarios para alcanzar los parámetros resistentes exigidos o los objetivos buscados. - Ante la necesidad de secado o, incluso, descongelación de cualquier tipo de suelos en condiciones climatológicas adversas, se debe emplear cal viva, y su dosificación debe realizarse sobre la marcha, día a día, a pie de obra, en función de las condiciones de trabajo. -
En el caso de estabilización de materiales marginales para su
reutilización en la construcción de terraplenes y saneos, la dosificación 21
será la necesaria para corregir sus problemas geotécnicos y resistentes hasta unos valores aceptables: plasticidad, hinchamiento, capacidad de soporte, etc. En estos casos, la cal suele ser el conglomerante más adecuado, pues la clasificación marginal de los suelos y su consiguiente necesidad de estabilización vienen dados por su carácter arcilloso. -
En el caso de la mejora y estabilización de suelos en capas de
coronación de terraplenes y fondos de desmonte, para la conformación de la explanada, la dosificación será la que se muestra en la tabla 2.4. Tabla 2.4. Especificaciones de los Suelos Estabilizados (PG-3)
TIPO DE SUELO ESTABILIZADO
CARACTERISTICAS
S-ESTA 1 CONTENIDO DE CAL O CEMENTO INDICE CBR, A 7 DIAS COMPRESION SIMPLE, A 7 DIAS
S-ESTA 2
≥ 2%
S-ESTA 3 ≥ 3%
≥ 6%
≥ 12%
-
-
≥ 1.5%
- Para la construcción de capas tratadas, suelo cemento (SC) y grava cemento (GC), como bases de pavimentos semirrígidos, se debe emplear la dosificación de cemento necesaria para alcanzar los valores de resistencia exigidos: 2,5 – 4,5 MPa (SC) y 4,5 – 7,0 MPa (GC). Sobre estos aspectos es importante dejar claro que con cualquier tipo de conglomerante se va a obtener un tipo de capa. Hay casos en los que, como se ha visto, debe ceñirse a un determinado tipo de conglomerante. Es el caso, por ejemplo, de las capas tratadas con cemento para conseguir determinados valores de resistencia a compresión. En este caso, el proceso de diseño debe ser diferente, hay que seleccionar previamente suelos que sean aptos para obtener altas resistencias mediante estabilización con cemento, es decir, granulares. 22
Así, no se puede pretender, con un suelo muy plástico, susceptible de estabilizar con cal, alcanzar los parámetros resistentes exigidos para un suelo estabilizado del tipo S-EST3. C. Conglomerantes disponibles en el entorno
Puede darse el caso de que, en función de la ubicación espacial y temporal de la obra, no se tenga la disponibilidad de cualquier tipo de conglomerante. En este caso deberán realizarse los estudios geotécnicos necesarios con los conglomerantes disponibles para comprobar si se pueden lograr los resultados necesarios para el proyecto. 2.2
Categorías fundament ales. Variables.
2.2.1 -
Estabilización con cemento.
Definición.
La estabilización de suelos con cemento Portland consiste en una mezcla intima y homogénea de suelo pulverizado y proporciones determinadas de cemento y agua, compactadas hasta una elevada densidad seca y protegida contra la pérdida de humedad durante el período de curado. -
Mecanismo s de estabilización.
El cemento actúa sobre un suelo estabilizándolo, dependiendo de su clasificación. En caso de suelos finos y arcillosos se crea un efecto químico superficial entre las partículas de arcilla y el cemento, que reduce la afinidad del suelo por el agua y la capacidad de retenerla, previniendo el esponjamiento y reblandecimiento, cuando aumenta el contenido de humedad. Se forman pequeños conglomerados envueltos en una matriz (floculación), evitando que se deslicen una sobre otras, destruyendo la plasticidad e incrementando la resistencia a cortante. 23
Para suelos granulares la acción se acerca más a lo o que ocurre con el hormigón. En las arenas los granos se cementan solamente en los puntos de contacto y por consiguiente, la acción cementante es más fuerte dando como como resultado mayores mayores resistencias. resistencias. -
Etapas de estabilización co n cemento.
A) Suelo Suel o Cement Cemen t o.
Es la mezcla mezcla íntima y homogénea homogénea de suelo, cemento cemento y agua para obtener una capa de material rígido o sem semirrígido, irrígido, con el objetivo objetivo de cementar las partículas una sobre otras, aumentando la resistencia y reduciendo la susceptibilidad al agua. B) Materiales utilizados para ser estabilizados con cemento económicamente. -
Suelos
Aunque todos los suelos pueden ser estabilizados con cemento, existen limitaciones económicas y tecnológicas que condicionan el rango en que se pueden ut utilizar ilizar de forma forma económica y efectiva. efectiva. La PCA establece establece los siguientes limites de los parámetros índices de suelo para ser estabilizados económicamente económicamente con cemento: o
Más del 55% debe pasar el Tamiz Nº 4
o
Más del 37% debe pasar el Tamiz Nº 10
o
Más del 25% retenido entre los tam tamices ices Nº 1100 y Nº 200.
o
Coeficiente de uniformidad Cu= 10
o
Limite Liquido < 45
o
Índice Plástico < 20.
24
Los suelos en orden de su factibilidad de ser tratados con cemento son: o
Gravas Limosas Limosas o con arcillas de de baja baja plasticidad. plasticidad.
o
Arenas Limosas o con con arcillas arcillas de baja plasticidad.
o
Arenas Uniformes con poco finos.
o
Rocas evolutivas evolutivas de estructura fina y frágil con con poca arcilla.
o
Arcilla gravosa y arenosa
Limos
o
Arcillas.
o
-
Agua. Ag ua.
Está regida por la necesidad de la l a compactac compactación ión y por los l os requerimientos de resistencia, debe estar exenta de altos contenidos de materia orgánica. -
Cemento.
La cantidad de cemento a utilizar depende principalmente del tipo de suelo, por lo que en la mayoría de las especificaciones no se exigen dosificaciones, si no resistencia a compresión simple con 7 días de curado. Las experiencias internacionales establecen
una escala de
dosificaciones aproximada que posibilita posibilita iniciar estudios de laboratorio laboratorio con porcentajes próximos a los óptimos.
25
Tabla Tabla 2.5. 2.5. Cont Contenidos enidos de cemento r ecomendados p ara estabilización clasificacion AASHTO A1-a A1-b A2 A3 A4 A5 A6 A7
Rango de Contenido Cemento para Contenido de probable para el ensayo de cemento en el ensayo de humedad peso (%) densidad. Hum/sec. 3 -5 5 3-4-5-7 5 -8 6 4-6-8 5 -9 7 5-7-9 7 -11 9 7-9-11 7 -12 10 8-10-12 8 -13 10 8-10-12 9 -15 12 10-12-14 10 -16 13 11-13-15
C) Propiedades de los suelos tratados con cemento.
Las propiedades de los suelos tratados con cemento están en función de diferentes factores, que pueden ser variables, no obstante, la experiencia internacional brinda algunos resultados que pueden interpretarse como tendencia. Las propiedades más importantes son: o
Resistencia a la compresión simple.
Durabilidad.
o o
Humedad optima y densidad seca máx máxima. ima.
o
Índices de plasticidad-
o
Dilataciones en las operaciones Tecnológicas. Tecnológicas.
o
Resistencia a la flexión.
o
Modulo de elasticidad.
o
Cambio de volum volumen. en.
Permeabilidad.
o
26
D) Criterios para el dis eño de las mezclas de Suelo Cemento.
El diseño de las mezclas se realiza analizando el comportamiento de las propiedades de la mezcla variando los contenidos de cemento en laboratorio. El contenido óptimo de humedad y la densidad seca máxima de la mezcla para el porcentaje de cemento a utilizar, indica la cantidad de agua requerida y la densidad que debe alcanzar in situ, que se obtiene del ensayo convencional humedad vs densidad (Proctor). La cantidad de cemento necesaria al endurecer el suelo se puede determinar en base a las siguientes técnicas. o
Método de la Portland Cement Asociation (PCA). (Para todo tipo de suelo).
-
o
Método Abreviado. (Suelos Arenosos).
o
Técnica Inglesa ( Todo tipo de suelo)
o
Técnica Francesa ( Todo tipo de suelo)
o
Método General (Todo tipo de suelo).
Método de la Port land Cement Asoci ation (PCA).
Esta técnica se puede emplear para todo tipo de suelo y consiste en preparar probetas con tres contenidos de cemento diferentes. Estas probetas son sometidas a un proceso de inmersión y secado que se repite 12 veces y después de cada ciclo se someten a dos pases de un cepillo de celdas metálicas, obteniéndose el porcentaje de material desagregado después de cada ciclo, considerándose como contenido mínimo de cemento el que cumpla las siguientes consideraciones:
27
-
No mayor del 14% para suelos (A-1-a; A-1-b; A-3; A-2-4 y A-2-5)
-
No mayor del 10% para suelos (A-2-6; A-2-7; A-5).
-
No mayor del 7% para suelos (A-7 y A-6).
Además el aumento del volumen de la probeta durante los ensayos no debe exceder más del 20% de la probeta recién terminada. La desventaja de este ensayo es el tiempo de duración, aproximadamente 1 mes. -
Método abreviado (PCA).
Fue elaborado por la PCA y se aplica para suelos arenoso de determinadas características, donde algunos ensayos son eliminados por el empleo de gráficos desarrollados al efecto y solo se procesan los datos de análisis granulométricos, humedad- densidad y resistencia a la compresión simple. El método tiene dos variantes: a)
Para suelos que no contengan material retenido en el Tamiz Nº 4.
b)
Para suelos que contengan material retenido en el Tamiz Nº 4.
Solamente se puede utilizar en suelos arenosos con las siguientes características: 1. Partículas < 0.05 mm (Limo o Arcilla), no exceda el 50% del Total. 2. Partículas < 0.05 mm (Arcilla), no exceda el 20% del Total. 3. Partículas Retenidas en el Tamiz
# 4, no pueden tener peso
específico < 2.45g/cm3. El procedimiento general es el siguiente: 1. Realizar ensayos de humedad.- densidad en una mezcla de suelo cemento con diferentes % de cemento (Según las recomendaciones de clasificación de suelo). 2. Determinar los % de cemento requeridos por el uso de los gráficos. 3. Verificar el % requerido con el ensayo de resistencia a compresión simple. 28
-
Técnica Inglesa y Francesa.
Ambas técnicas consideran en sus especificaciones que el contenido óptimo de cemento es aquel que permite alcanzar en la mezcla, a los siete días de curado, una resistencia a compresión mínima fijada de antemano.
-
Técnica General.
Este procedimiento consiste en determinar el contenido de cemento que proporcione a los siete días de curado y cuatro horas de inmersión, una resistencia a compresión simple superior a 20 kg. /cm2. Se acepta como contenido de cemento adecuado aquel que logre en laboratorio una resistencia a la compresión simple entre 20 y 40 %, por encima de la recomendada en obra (20 kg./cm2). E) Procedimiento Constructivo.
El proceso de construir un suelo estabilizado puede resumirse en las siguientes operaciones: 1.- Perfilado del camino longitudinal y transversalmente. 2.- Se escarifica el suelo en el espesor adecuado, según diseño de pavimento. 3.- En caso de que se vaya a tratar una superficie existente, se pulveriza el suelo escarificado, empleando rastras, arados de discos o mezcladoras rotativas. La pulverización se adelanta hasta que el 100% del suelo, excluidas las partículas de grava, pase por el tamiz de 25.4 mm y al menos el 80 % pase por el de 4.76 mm. 4.- Se distribuye el cemento Portland sobre el suelo a tratar. La distribución en la cantidad previamente definida según los ensayos de 29
laboratorio, pueden hacerse a granel por medio de camiones o por medio de bolsas colocadas a separaciones adecuadas. 5.- Se mezcla el suelo con el cemento y se aplica la cantidad correcta de agua para una buena compactación y adecuada hidratación del cemento. 6.- Luego del mezclado se procede a la compactación a la mayor brevedad posible hasta lograr alcanzar la densidad mínima exigida por las especificaciones, que es del 98 % de la máxima de la prueba del Próctor estándar. 7.- Se eliminan con una rastra de clavos los planos de compactación que se presenten, los cuales desmejoran la calidad de la capa estabilizada. Se perfila la superficie con motoniveladora y se hace una compactación final con un rodillo neumático. 8.- La última operación consiste en el curado de la capa compactada , aplicando una película de emulsión asfáltica con una cantidad de 0.40 litros / m2.
30
2.2.2 Estabilizació n con Cal.
La Cal es uno de los agentes estabilizadores más utilizados a lo largo de la historia y sin lugar a dudas con grandes propiedades para el mezclado con suelos naturales muy plásticos, de tal manera que logra regular esta plasticidad y mejorar las características mecánicas de los mismos. Existen varios tipos de cal, que dependen de su pureza. Generalmente la cal se encuentra acompañada de otros materiales como
el
Carbonato de Magnesio, hierro, azufre, álcalis, etc. Tipos d e Cal: Cal Grasas.- Se produce en el momento de calcinar piedra caliza,
contiene un contenido de arcilla inferior al 5% y menos del 3% de Carbonato de Magnesio. Al apagarse da una pasta fina blanco, capaz de aumentar su volumen y permanecer indefinidamente blando en sitios húmedos, fuera del contacto con el aire. Cal Magra o Árida.- Se presenta cuando la caliza tiene la presencia
de arena, se da cuando la cal obtenida contiene entre un 50 a 80 % de oxido de calcio, esta cal se apaga lentamente y la pasta que se produce es menos pegajosa. Se debe evitar en las construcciones. Cal hidráulica.- Se producen de la calcinación de rocas calizas con
más del 5% de arcilla. Da un producto que reúne las propiedades de las cales grasas y a demás la de fraguar en sitios húmedos y debajo de agua.
31
Cal de Magnesia.- Cuando la cal viva, que es producto de la
calcinación de una caliza contiene entre un 10 y 25 % de oxido de magnesio. La estabilización cambia considerablemente las características del suelo, produciendo resistencia y estabilidad a largo plazo, en forma permanente. En particular en lo que concierne a la acción del agua, la cal, sola o en combinación con otros materiales, puede ser utilizada para tratar una gama de tipos de suelos. Las propiedades mineralógicas de los suelos determinarán su grado de reactividad con la cal y la resistencia final que las capas estabilizadas desarrollan. 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 el 0.3 por ciento) pueden requerir cal adicional y/o procedimientos de construcción especiales. Los efectos de la cal en suelos arcillosos son los siguientes: a) Disminución del índice de plasticidad. b) Disminución del valor de la densidad óptima proctor y/o aumento de la humedad óptima Proctor, lo que permite el uso de cal en suelos húmedos. c) Aumento del índice de CBR o de la Capacidad Portante. d) Disminución de la sensibilidad al agua. e) Aumento progresivo de la resistencia a la compresión simple del suelo.
32
-
Proceso Constructivo.
Antes de la adición de la cal al suelo, conviene escarificarlo para eliminar elementos gruesos y ahuecar el suelo. Si se dispone de una estabilizadora rotativa mecánica lo mejor es remover el suelo antes de la dosificación de la cal mediante una pasada que afecte todo el espesor que se va a modificar. Por razones de calidad y economía, el espesor de una capa estabilizada debe ser del orden de 25 a 30 cm. La mezcla de cal con el suelo debe realizarse lo más inmediatamente posible desde el extendido de la cal, con el número de pasadas necesarias de rotores, gradas de discos o escarificadores. El procedimiento constructivo consiste en los siguientes pasos: 1. Escarific ación y pulverización inicial.
La subrasante puede ser escarificada a la profundidad y ancho especificados y luego pulverizarse parcialmente. Es deseable remover los materiales que no sean suelos y que sean mayores de 3 pulgadas, como troncos, raíces, césped y piedras. Una subrasante escarificada o pulverizada ofrece más área de contacto superficial de suelo para la cal en el momento de la aplicación. En el pasado era una práctica común escarificar antes de la aplicación. Hoy en día, debido a la disponibilidad de mezcladores superiores, la cal a menudo es aplicada sin la escarificación. Los camiones de cal también pueden transitar la carretera 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; cuando la cal es colocada sobre una superficie lisa, hay mayor posibilidad para la pérdida debido al viento y al proceso, particularmente si la mezcla no se realiza de inmediato. Para eliminar la pérdida hacia los lados, se puede construir un pequeño camellón, utilizando material del camino (Figura 2.3). 33
Fi ura 2.3. Escarificador antes de la a licación de cal.
2. Apli cación de la cal
Existen dos formas en que la cal viva seca puede ser aplicada. La primera, mediante camiones auto-descargables o tráileres 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 (Figura 2.4).
Figura 2.4. Uso de cal seca con aplicación Mecánica.
34
3. Mezclado preliminar y aplicación de agua.
Se requiere un mezclado preliminar para distribuir la cal dentro del suelo y para iniciar la pulverización para preparar la adición de agua que inicie la reacción química necesaria en la estabilización. Esta mezcla se puede iniciar con la escarificación (Figura 2.5). La escarificación puede realizarse aún sin mezcladoras modernas. Durante este proceso o inmediatamente después, el agua deberá agregarse (Figura 2.6).
Figura 2.5. Escarificación después de aplicación de cal
Figura 2.6. Adición de agua 35 después de aplicación de cal
Las estabilizadoras de suelos (Ej. CAT SS-250B) pueden ser utilizadas para asegurar la mezcla cuidadosa de la cal, el suelo, y el agua (Figura 2.7). Con muchas estabilizadoras de suelos, el agua puede añadirse al tambor de mezcla durante el proceso. Este es el método óptimo de adición de agua a la cal (cal viva o hidratada) y al suelo seco, durante la mezcla preliminar y la etapa de riego.
Figura 2.7. Estabilizadora de suelo utilizada para mezcla inicial.
4. Periodo de fraguado
La mezcla de suelo y cal debe fraguar suficientemente para permitir la reacción química que cambie las propiedades del material. La duración de este período de fraguado debe basarse en el juicio del ingeniero y depende del tipo de suelo. El período de fraguado, comúnmente, es de 1 a 7 días. Después del fraguado, el suelo debe ser mezclado, de nuevo, antes de la compactación. Para suelos con Índice de Plasticidad bajos, o cuando el objetivo es el secado o la modificación, por lo general, el fraguado no es necesario.
36
5. Mezcla final y pulverización.
Para alcanzar la estabilización completa, es esencial una adecuada pulverización final de la fracción arcillosa y la completa distribución de la cal dentro del suelo (Figura 2.8). La mezcla y la pulverización deberían continuar hasta que el 100 por ciento de material pase el tamiz de 1 pulgada y al menos el 60 por ciento de material pase el tamiz No. 4.
Figura 2.8. Mezcla y Pulverización.
6. Compactación
La mezcla suelo-cal deberá ser compactada a la densidad requerida por la especificación, comúnmente, al menos, al 95 por ciento de la densidad máxima obtenida en el ensayo AASHTO T99 (Proctor estándar). El valor de densidad deberá basarse en la curva Proctor de una muestra representativa de la mezcla de suelo-cal – y no del suelo sin tratar. La compactación deberá iniciar inmediatamente después de la mezcla final. Si esto no es posible, los retrasos de hasta cuatro días no deberían ser un problema si la mezcla es ligeramente compactada y 37
se mantiene húmeda mientras se lleva a cabo la compactación. Para demoras más largas, puede ser necesario incorporar una pequeña cantidad adicional de cal en el suelo. El equipo para asegurar una compactación adecuada, debe adaptarse a la profundidad de la capa. La compactación puede lograrse utilizando compactador pesado de neumáticos o rodillo vibratorio o una combinación del “pata de cabra” y un compactador
ligero” de
almohadilla” (Figura 2.9). Comúnmente, la superficie final de compactación se completa utilizando un rodillo liso (Figura 2.10).
Figura 2.10. Rodillo Liso.
Figura 2.9. Compactadores Rodillo Pata de Cabra y Almohadilla.
38
7. Curado Final
Antes de la colocación de la siguiente capa (de subbase o de base), se debe permitir que la subrasante compactada (o subbase), se endurezca hasta que camiones pesados transiten sin ahuellar la superficie. Durante este tiempo, la superficie de suelo tratado con cal deberá mantenerse húmeda para ayudar al incremento de la resistencia. Este proceso se conoce como "curado" y puede hacerse de dos maneras: (a) curado húmedo, que consiste en mantener la superficie en una condición húmeda a través de un rociado leve y compactándolo cuando sea necesario, y (b) curado con membrana, que implica el sellado de la capa compactada con una emulsión bituminosa, ya sea en una o varias aplicaciones (Figura 2.11). Una dosificación típica de aplicación es de 0.12 a 0.30 galones por metro cuadrado.
Figura 2.12. Imprimación con emulsión.
39
2.2.3 Investigaciones sobre el comportamiento de los suelos con la adición d e cal o cemento.
Según estudios realizados por Air Force. 1994, el incremento de la cal sobre las propiedades plásticas de los suelos finos produce la disminución de índice plástico tal como se observa en la figura 2.13.
Figura 2.13. Influencia del incremento de cal en los suelos
Figura 2.14. Influencia de la cal sobre el potencial expansivo de los suelos finos Caso Tí ico .
40
2.2.4 Selección del CBR de diseño .
Para seleccionar el CBR de diseño se siguen los siguientes pasos: 1. Seleccionar la probabilidad de acuerdo al tráfico. 2. Ordenar los valores en orden decreciente y calcular el porcentaje que representa del total los mayores o iguales que el valor seleccionado. 3. Plotear en un gráfico de percentil (0-100%) contra CBR. 4. Determinar el CBR de diseño para la probabilidad deseada.
-
Resistencia de cálculo.
La Norma cubana de diseño de pavimentos, define 3 categorías de sub-rasante, de acuerdo al valor de CBR que se obtenga para el diseño del tramo: aceptable, media y buena, que deben ser garantizadas en correspondencia con los tipos de tráficos de proyecto: ligero, medio y pesado, respectivamente. Si no existen posibilidades de determinación de la resistencia, o la inversión no lo justifica, se puede escoger el tipo de sub-rasante considerando las características del suelo utilizado, como se muestra en la tabla 2.6. La resistencia de la subrasante debe corresponderse con la categoría de tráfico de proyecto, lo que se recomienda para racionalizar el espesor de pavimento.
41
Tabla 2.6. Tipos de sub -rasante y características de los suelos
En los tramos en terraplén, se seleccionarán los suelos para la corona que satisfagan las exigencias de la subrasante, correspondientes al tráfico de proyecto, mientras que en las excavaciones, si el suelo del lugar no satisface estas exigencias debe colocarse un material de préstamo que las reúna o estabilizarse mediante medios mecánicos, o adicionando cal o cemento.
42
-
Tráfico de diseño.
Para los propósitos de diseño los vehículos ligeros pueden ser ignorados y solo se consideran los vehículos pesados. El tráfico se expresa en forma del número total de cargas por ejes, lo que se determinará durante el periodo de diseño. Para determinar el tráfico de diseño se procede como sigue: a) Obtener los parámetros de tránsito mediante aforos, en una vía de similares características: la distribución por sentido de circulación (k), la proporción de vehículos pesados respecto al total (P VP) y
la
proporción de vehículos pesados en el carril de diseño (P CD). En ausencia de aforos se pueden utilizar parámetros normados. b) Estimar el tránsito inicial, TPDA0, que se producirá en la vía durante el primer año de servicio. c) Calcular la Intensidad Diaria de Vehículos pesados, por el carril de diseño, durante el primer año de puesta en servicio de la vía. d) Determinar la razón de crecimiento del tránsito, e) Obtener mediante recuento clasificado del tránsito, el factor camión-eje (f CE). En ausencia de recuentos de cargas, utilizar los valores normados. f) Obtener el número de ejes equivalentes de cálculo ( ΣN), que circularán durante el periodo de diseño. Como vehículo pesado se entiende todo medio de transporte de carga o pasajeros, que por la magnitud de la carga por rueda aplicada sobre la superficie se tiene en cuenta en el cálculo del pavimento. Dentro de esta clasificación se encuentran los ómnibus y camiones de 4 ruedas o más, cuñas tractoras con semirremolques y los remolques, los que tienen acoplados neumáticos de camión y una masa total cargada de 40kN o mayor.
43
2.3 Fundamentación legal. Estudio de explanadas. Normati va Española.
La explanada constituye la superficie de apoyo y cimiento del pavimento. El estudio de las explanadas persigue como objetivo predecir el comportamiento de los suelos que la componen, que está determinado por las cargas de tráfico y por la rigidez de las capas que componen el pavimento. Existen tres formas o métodos de abordar el problema de la caracterización mecánica de las explanadas:
Métodos de base empírica .- El más importante basado en la
determinación del índice CBR.
Métodos de base analítica .- Determinación de módulos de
rigidez y cálculo de tensiones y deformaciones que llegan a la subrasante.
Métodos mixtos .- Se basan en la estimación de módulos a
partir de ensayos de campo o de laboratorio y en posteriores cálculos analíticos. La caracterización de los suelos de las explanadas se hace mediante ensayos de laboratorio o in situ, intentando reproducir las condiciones reales que los materiales van a soportar bajo las capas del pavimento. El objetivo fundamental de la caracterización es obtener la capacidad de soporte del suelo. La capacidad de soporte depende básicamente de dos factores: la densidad y el contenido de humedad. En el laboratorio es usual el estudio donde se varía la humedad de los suelos para evaluar los cambios producidos en la capacidad de soporte. Estimar las variaciones de la humedad en la explanada después de construido el pavimento, puede requerir complejos análisis sobre el comportamiento de medios no saturados. 44
Según el artículo 330 del PG-3 (1975), de España, los suelos utilizados para construcción de terraplenes y fondos de desmonte, se clasifican en:
Suelos inadecuados : No cumplen las condiciones mínimas
exigidas a los suelos tolerables.
Suelos tolerables : No contienen más de un 25% en peso de
piedras cuyo tamaño exceda los 15cm. El límite líquido es inferior a 40% o simultáneamente: límite líquido menor de 65%, e índice de plasticidad mayor de 6 décimas del límite líquido, menos nueve. La densidad máxima correspondiente al ensayo Proctor Normal no es inferior a 1450g/cm3. El índice CBR es superior a 3% y el contenido de materia orgánica es menor de 2%.
Suelos adecuados: Carecen de elementos de tamaño superior
10cm y el material que pasa el tamiz 200 es inferior al 35%. La densidad máxima correspondiente al ensayo Proctor Normal no es inferior a 1750g/cm3. El límite líquido es menor de 40%; índice de CBR superior a 5%; hinchamiento inferior 2%, y el contenido de materia orgánica será menor de 1%.
Suelos seleccionados: Carecen de elementos de tamaño
superior a 8cm y el porcentaje pasado por el tamiz 200 es inferior al 25% en peso. Simultáneamente su límite líquido es menor que 30% y su índice de plasticidad menor que 10%. El índice CBR es superior a 10% y no presentan hinchamiento en dicho ensayo. Deben estar exentos de materia orgánica. Los suelos pueden proceder del movimiento de tierras de la obra o bien de préstamos (yacimientos o canteras próximos a las obras). En el proyecto se tiende al máximo aprovechamiento de los materiales procedentes de la propia obra, por razones de tipo ambiental, tratando de lograr mayor compensación de los volúmenes de desmonte y terraplén. 45
La Instrucción contempla la posibilidad de mejorar o estabilizar un suelo existente mediante mezcla con cemento o cal, y se admiten otros materiales (escorias, cenizas volantes, etc). El PG-3 (España) define tres tipos de suelos estabilizados:
S-EST 1: Cuando el contenido de cemento o cal es superior al
2% y el índice CBR mínimo a los 7 días de curado es de 5%.
S-EST 2: Cuando el contenido de cemento o cal es superior al
3% y el índice CBR mínimo a los 7 días de curado es de 10%.
S-EST 3: La estabilización ha de realizarse necesariamente con
cemento. La resistencia mínima a compresión simple a los 7 días es de 1,5 M Pa. Tabla 2.7. Especificaciones para los tip os de s uelos naturales y estabilizados.
46
2.5 Hipót esis y variables. 2.4.1 Planteamiento de hipótesis.
La hipótesis de la investigación se ha establecido como: La adición de un porcentaje de aditivo, cal o cemento, mejora las características plásticas del suelo de sub-rasante de la carretera Montecristi-Comuna Bajo de Pechiche, y como consecuencia aumenta su resistencia.
2.4.2 Variables.
Se han definido dos aspectos básicos en los que se fundamenta el trabajo
de
investigación,
que
constituyen
las
categorías
fundamentales: (a) características geotécnicas de los suelos de subrasante natural; (b) Características geotécnicas de los suelos estabilizados con cal o cemento. Las variables que intervienen en cada una de estas categorías se muestran en la tabla siguiente: Tabla 2.8. Categorías fundamentales y variables de la investigación. N o.
a
Categorías fundamentales
Características geotécnicas de los suelos de subrasante
Dependientes Resistencia a CBR Hinchamiento Densidad Máxima Proctor Humedad óptima
b
Mejoramiento de los suelos de subrasante
Resistencia a CBR de suelos mejorados Resistencia a compresión simple de suelos estabilizados.
47
Variables Independientes Granulometría. o Límites de Consistencia . o Humedad natural o Características mineralógicas. o Equivalente de Arena. o Cohesión y coeficiente de fricción. o Densidad alcanzada in situ después de compactado. o Porcentaje de aditivo. o Tipo de aditivo (cal o cemento). o Contenido de humedad añadida. o
2.6 Definición de términos. Estabili zación de subrasante.-
Es el proceso mediante el cual se mejoran las características de los suelos como material de construcción, es decir, se reducen las características plásticas y el hinchamiento y se incrementa la resistencia. Un suelo inadecuado, con un valor de CBR inferior a 4%, incrementa su resistencia, haciéndolo apto como sub-rasante. Los suelos tratados pueden ser del lugar (subrasante) o bien, de materiales de préstamo. Conglomerante.-
Es un Componente cuya función es unir materiales que sufren una reacción química llamada fraguado. Se subdivide en: aéreos, si solo fraguan en el aire, donde pertenecen la cal y el yeso, e hidráulicos, los que fraguan en el aire y en el agua donde se incluyen la cal y el cemento. Reacciones entre el suelo y la cal.-
Las reacciones que ocurren dentro del proceso de estabilización de suelos con cal comprenden un conjunto de procesos físico-químicos que han sido referidos en la literatura con los siguientes términos: Mejoramiento: Son los fenómenos que ocurren inmediatamente al
agregar la cal, también denominados “de corto plazo” tales como floculación y aglomeración de partículas, disminución de plasticidad y potencial de hinchamiento, aumento de la trabajabilidad, durabilidad y constancia volumétrica, etc. La mayoría de los investigadores coinciden en que se produce un intercambio catiónico, por el cual los minerales arcillosos, constituidos por láminas de sílice y alúmina negativamente cargadas, compensan dicha carga mediante la adsorción de los iones solubles de la fase líquida del suelo. 48
Cementación: Comprende los fenómenos denominados de largo
plazo, consistentes en una serie de reacciones químicas entre la sílice y la alúmina del suelo y la cal, denominadas reacciones puzolánicas. Estas reacciones comprenden la solubilización de los compuestos de sílice y alúmina amorfas o débilmente cristalizadas en la solución de hidróxido de calcio, generándose alumino-silicatos dicálcicos y tricálcicos similares a los obtenidos en el fraguado del cemento Pórtland. Carbonatación: La cal utilizada en la mezcla, por reversión del
hidróxido de calcio a carbonato de calcio, mediante la reacción de la cal con el anhídrido carbónico atmosférico. Esta reacción es perjudicial durante la fase constructiva del suelo-cal, ya que el carbonato de calcio es un cementante débil, que extrae el calcio libre necesario para el proceso de estabilización. Efecto de la cal sobre los Límit es de Atterberg.
Han sido quizás los parámetros que más significativamente han manifestado la acción de la cal, produciendo una reducción del Índice de Plasticidad en la medida en que se incrementa el contenido de cal en el suelo. Efecto de de la cal en la granulometría de los suelo s
La cal reacciona con los suelos arcillosos, produciendo un intercambio iónico y una saturación del mineral arcilloso con el ión calcio. De ese modo se altera la densidad de las cargas eléctricas que rodean la partícula de arcilla, permitiendo que las mismas sean atraídas fuertemente unas a otras para formar flóculos, en un proceso denominado
floculación.
Esto
trae
como
consecuencia
una
aglomeración de las partículas de arcillas (menores de 5 micras), en conjuntos de partículas de tamaño limo (entre 5 y 50 micras) y arena fina (entre 50 micras y 100 micras). 49
Resis tencia a la compresión s imple de mezclas suelo-cal
Uno de los parámetros más investigados en las mezclas suelo-cal es el incremento de la resistencia a la compresión con diversos porcentajes de cal y en función del tiempo, condiciones de curado, etc. La acción inmediata de la cal -sin períodos de curado- trae aparejada incrementos en la resistencia a la compresión no confinada. Por ello el suelo-cal constituye una plataforma de trabajo muy importante para la conformación de capas estructurales de caminos. Valor Soport e de mezclas suelo –cal
Los trabajos clásicos de Thompson del año 1969 fueron los primeros en establecer que el tratamiento con cal de los suelos finos de Illinois producía incrementos en el CBR, independientemente del tiempo de curado y de la reactividad del suelo. También demostró un sustancial incremento en el valor soporte de esos suelos con elevados tiempos de curado. Little (1995) obtuvo resultados similares sobre sedimentos de diversas partes del territorio norteamericano.
50
CAPÍTULO III
51
3. MATERIAL Y MÉTODOS 3.1. Tipo de investi gación
La modalidad utilizada en la investigación es fundamentalmente experimental, realizando ensayos para caracterizar los suelos de subrasante en su estado natural, y posteriormente añadiendo cantidades diferentes de cal para comprobar las modificaciones en sus propiedades ingenieriles. La investigación comprende estudios de campo, de laboratorio y documental. Por sus objetivos, la investigación se puede identificar como del tipo exploratoria y explicativa. También cualitativa y descriptiva a partir de la caracterización de los resultados en los ensayos de suelos. Se realizará en dos etapas: 1. Etapa 1: Basada en el estudio del Estado del Arte relacionado con el tema, se conceptualiza el problema, se sintetizan las experiencias y normas adoptadas por otros países y que sirven como punto de partida para establecer los aspectos más importantes a desarrollar: - Recopilación bibliográfica preliminar, definición y aprobación del proyecto de investigación y su plan de trabajo. - Análisis y crítico de los últimos adelantos científicos relacionados con el tema. - Redacción de la introducción y capítulos I y II.
52
2. Etapa 2:Se fundamenta en una investigación de campo, experimental y analítica y comprende los siguientes aspectos:
Relacion ados con el estudio de Campo:
- Reconocimiento de la vía objeto de estudio. - Colección de datos en situ de las muestras más representativas del suelo de subrasante, según las recomendaciones internacionales se extrajeron por debajo de los 60 centímetros de la superficie.
Entre
los
aspectos
relacionados
con
investigación
experimental y analítica se tiene:
- En el Laboratorio de suelos se realizaron los estudios respectivos de las muestras representativas para determinar las características naturales de la subrasante. - Una vez conocida las características generales del suelo en estudio y de acuerdo con las recomendaciones internacionales en la selección del tipo de conglomerante más eficaz para la estabilización del suelo de subrasante, se experimentaron las muestras con dosificaciones recomendadas (4% 8% 10% 12%), tomando en consideración además el aspecto económico. - Se analizaron los datos
experimentados con las diversas
dosificaciones del conglomerante; en este caso la cal. Por medio del ploteo de Curvas. - Interpretación de los resultados e influencia de la cal sobre la plasticidad, densidad, resistencia del suelo, Capacidad Portante. - Elaboración y discusión del informe final.
53
3.2. Población y muestra.
La población en la investigación la constituyen todos los suelos de subrasantes que se encuentran debajo de los pavimentos, en la provincia de Manabí. La vía Montecristi–Los Bajos, constituye la muestra y será necesario seleccionar una cantidad de material representativo de la vía objeto de estudio. Las muestras para los ensayos en el laboratorio serán representativas de los suelos más comunes en las sub-rasantes de las vías de la provincia, de modo que permita obtener las condiciones más reales de la subrasante de la vía. 3.3. Técnicas e Instrumentos de recolección de datos o
Pruebas en siti o.
Para determinar las características de granulometría, humedad, densidad, plasticidad y valor del CBR del suelo natural se
tomaron muestras
representativas a lo largo del tramo en estudio que fueron llevadas a laboratorio de suelos para ser analizadas. Prácticamente
todas las
pruebas se realizaron en el laboratorio. o
Ensayos en laboratorio
Para la caracterización del tipo de suelo se realizaron los siguientes ensayos:
-
-
Clasificación del suelo.
-
Granulometría
-
Proctor estándar y Modificado.
-
Límites de Attemberg
-
Ensayo C.B.R (Índice Portante de California). Clasific ación de Suelo.
54
El estudio de la clasificación del suelo se fundamenta en técnicas según el método de la AASHTO y el SUCS. Las tablas empleadas para la clasificación de los suelos son: Tabla 3.1 Clasifi cación de Suelos Método AASHTO:
Tabla 3.2 Clasificación de Suelos Método SUCS.
55
Figura 3.2 Carta de Plasticidad para Clasificación de Suelos de Partículas finas en el Laboratorio. 56
-
Granulometría
El estudio de la composición granulométrica de un suelo se realiza en el laboratorio mediante ensayos de tamizado o de sedimentación. El tamizado se utiliza para obtener la granulometría de los suelos granulares o de las partículas gruesas y el de sedimentación para conocer la distribución por tamaños de partículas inferiores a 0,080mm (limos y arcillas. Para los ensayos de tamizado se emplea una serie normalizada de tamices de malla cuadrada y abertura decreciente, a través de los cuales se hace pasar una cantidad determinada de suelo de peso en seco. Esta operación se realiza por lavado para separar las partículas finas. El material retenido en cada tamiz se seca y se pesa. De esta forma se pueden calcular el porcentaje en peso respecto al total que pasa por cada tamiz, lo que dá lugar a la curva granulométrica. La curva granulométrica representa el porcentaje de partículas de diámetro menor que el indicado (% que pasa del total).
57
Existen varias series normalizadas de tamices. Para el ensayo se eligen los tamices con razón entre aberturas igual a 2. Cuando los ensayos se realizan únicamente a efectos de identificación y clasificación de los suelos, se utilizan solamente dos o tres tamices. -
Proctor Estándar y Modif icado.
El ensayo de compactación Proctor se compone de una base, un molde metálico desarmable y un mazo o martillo el cual trasmite la energía de compactación (golpes) al suelo que se coloca por capas dentro del molde. Las características del ensayo ideado por Proctor son: Molde cilíndrico de 4” de diámetro, que tiene un volumen interior de
o
1/30 pie3. o
Se vierte el suelo en el cilindro en 3 capas, y cada capa se compacta con 25 golpes del martillo, que se deja caer libremente desde una altura de 12”.
o
El martillo se desliza dentro de un tubo metálico cuyo peso es de 5,5 lb
La Energía aplicada por unidad de volumen durante el ensayo Proctor puede ser calculada como: Ec
W * h * n * N V
12375
lb pie pie 3
Dónde: W: Peso de la maza (5,5 libras) N: Número de golpes por capa (25 golpes) n: Número de capas (3 capas) V: Volumen del molde h: Altura de caída (12 pulgadas)
58
En una muestra de suelo se puede calcular la densidad húmeda ( f ), a partir del peso del suelo y el volumen que ocupa, como: f
W V
V= volumen del molde Proctor = 1/30pie 3. Conocida además la humedad ( ) utilizada en el ensayo:
W w W s
Entonces el peso específico seco, d , se calcula mediante la relación: d
W s
d
V
f
1
Si se toman varias muestras del mismo suelo, se les añaden diferentes cantidades de agua, y a continuación se compactan cada una de las nuestras siguiendo un método normalizado de compactación, como el ensayo Proctor, se pueden obtener diferentes valores del peso específico húmedo (f ) y seco ( d), comprobándose que la densidad seca alcanzada depende en cada caso de la humedad de compactación. En el ensayo se toman varias porciones de suelo y se compactan individualmente con la misma energía, pero con diferentes humedades de moldeo, de forma tal que la primera porción tenga la humedad higroscópica (humedad de equilibrio con la atmósfera), y las restantes tengan un incremento sucesivo del 2%, determinándose en cada caso la densidad y humedad, y se plotean los resultados en un gráfico de densidad vs humedad para obtener la curva de compactación del suelo.
59
-
Plasticidad y Límites de Consistencia.
La plasticidad es la capacidad de los materiales arcillosos de deformarse sin agrietarse, desintegrarse, desmoronarse etc. El sueco Atterberg desarrolló un método para determinar la plasticidad de los suelos en función del contenido de humedad y definió:
Límite líquido (LL) como la humedad del suelo cuando está en el límite entre el estado plástico y viscoso,
Límite plástico (LP) como la humedad entre el estado plástico y semisólido,
-
Índice plástico (IP) a la diferencia entre ambas Ensayo C.B.R (Índice Port ante de Califor nia).
El ensayo C.B.R. (California Bearing Ratio) fue creado en el año 1928, por el ingeniero Porter y puesto a punto en la División de Carreteras del Estado de California para el diseño de pavimentos flexibles. Durante la segunda guerra mundial fue adoptado por U.S. Corps of Engineers para el proyecto de pistas de vuelo y calles de rodadura de aeropuertos. Este ensayo consiste en someter una probeta a la penetración de un pistón cilíndrico de 4,9cm de diámetro, con una velocidad de 1,27 mm/mm. Es probablemente el más utilizado en todo el mundo para estimar la capacidad resistente de las explanadas, donde adicionalmente se mide el hinchamiento del suelo al sumergirse en agua durante 4 días. La muestra de suelo se prepara y compacta dentro de un molde cilíndrico de 152,4 mm de diámetro interior y de 177,5 mm de altura y está provisto de un collarín de 51 mm de altura y una base perforada. Las condiciones de compactación (energía de compactación y humedad) son definidas previamente. La muestra de suelo se compacta dentro del molde, mediante un proceso similar al Proctor, con la humedad y la energía de 60
compactación deseada. Para la penetración se emplea una prensa y un pistón cilíndrico de 49,6 mm de diámetro (3 pulgadas cuadradas ), que se desplaza a una velocidad de 1,27 mm/min (0,05 pulg/mín). La carga se mide con un anillo dinamométrico y la penetración con un defórmetro. El ensayo se realiza hasta una penetración de 5 mm. Luego se traza la curva de carga en función de las penetraciones. a) Preparar 3 muestras de suelo (todas con la Wc). b) Se compactan las muestras con energías diferentes: estándar, intermedio y modificado (12, 25 y 56 golpes/capa). c) Se ensaya cada muestra a CBR. d) Se determinan sus densidades secas. e) Se plotean las densidades vs CBR y se determina el CBR de diseño de esa muestra, entrando en el gráfico con la densidad seca mínima exigida. Si existen condiciones de inmersión, el punto d) se realiza después de sumergir las muestras y se mide además el hinchamiento de la probeta. -
Reglas g enerales para el muestreo.
1. Ensayar todos los materiales que se encuentren a 0,60m por debajo de la subrasante (en excavación) y en terraplén ensayar todas las fuentes de material (una probeta cada 300m3). 2. Si hay diferentes suelos debe determinarse un ensayo por tipo de suelo, dejando una distancia mínima. Si no es posible, tomar el peor valor de CBR como el de diseño. 3. Realizar un número de ensayos para facilitar la selección estadística (de 6 a 8 ensayos). 4. Si el CBR en algún caso es < 4% debe sustituirse el material por otro de mejor calidad.
61
3.4. L evantamiento de la información.
En la investigación se siguen las siguientes tareas: a)
Obtener muestras representativas de suelos en la vía objeto de estudio.
b)
Llevar las muestras al laboratorio y realizar los ensayos de caracterización: Granulometría, Límites de Plasticidad, Peso específico, y Equivalente de Arena.
c)
Clasificación de los suelos de acuerdo alos sistemas de clasificación SUCS y AASTHO.
d)
Realización del ensayo Proctor para determinar la humedad óptima y la densidad máxima del suelo sin tratar.
e)
Preparación de probetas de suelos, compactadas en los moldes de CBR y añadiendo varios contenidos de cal.
f)
Ensayar las muestras a CBR, después de inmersión.
62
CAPÍTULO IV
63
4.- Resultados. 4.1 Análisi s de datos. 4.1.1 Descripción de la vía objeto de estudio.
Para la estabilización del suelo de subrasante se escogió la Vía Montecristi – Sector Los Bajos que se encuentra ubicada en zona Urbana del Cantón, esta vía se extiende desde la intersección con la vía Jipijapa Guayaquil, hasta la vía Los Bajos- Rio caña que conduce a la Vía del Pacifico y tiene una Longitud de 5 Kilómetros. A continuación se muestra una imagen de la vía en toda su extensión.
Montecristi
Toalla Grande Toalla Chica
Comuna Cá rcel Bajo de Afuera Bajo de la Palma
Bajo del Pechiche
Figura 4.1 foto del Sitio del Proyecto 64
La vía es una carretera de que según su función es de red secundaria
de clase II según lo planteado en la Norma de Diseño
Geométrico de Ecuador. 4.1.2 Datos obtenidos del trabajo de campo en el tramo de vía.
Se recolectaron varias muestras de material de subrasante a lo largo del tramo, posteriormente se depuran las muestras seleccionando y tomando en consideración los suelos
más desfavorables para la
estabilización. El ensayo del proctor estandar nos permite conocer la relación entre la densidad y la humedad. Tareas realizadas.
Ensayo del Proctor estándar a las muestras en estado natural.
Depuración de las muestras.
Análisis de las características plásticas del suelo de subrasante.
Selección del conglomerante más eficaz a utilizar según normas internacionales, para el caso de estudio se trata de la cal.
Dosificación con porcentajes recomendados de cal a la mezcla de suelo de subrasante.
Ensayo de proctor estandar de la mezcla suelo cal para
las
distintas dosificaciones del conglomerante.
Ensayo de Limites de Atterberg de la mezcla suelo cal para las distintas dosificaciones del conglomerante.
Ensayo de CBR. de la mezcla suelo cal para dosificaciones del conglomerante.
Características generales.
Categoría de la vía: secundaria clase II.
Número de carriles: Dos ambos sentidos. 65
las distintas
4.2. Descri pción de Resultados. A partir de los ensayos en el Laboratorio de Suelos del Concejo Provincial de Manabí, con relación a la mezcla suelo+ cal, se pueden describir los siguientes resultados:
Caracterización de los suelos de subrasante: Granulometría, Limites Atter berg, Densidad, Humed ad y CBR.
Se toman tres muestras representativas según las condiciones más predominantes y desfavorables en la vía objeto de estudio.
Tabla 4.1 Caracterización del Tipo de Suelo 66
Influencia de la Cal sobre los Limites de Atterberg.
Con la adición de los porcentajes de cal (2%,4%,6%,8%,10% y12%) a las diferentes mezclas del suelo de subrasante, se obtienen valores de Índices de Plasticidad, que decrecen
conforme
aumentan los porcentajes de cal.
Los valores de Límites de Plasticidad aumentan notablemente cuando se adicionan los porcentajes de cal comprendido entre 4 y 8%.
Los valores del Limite
Liquido presentan un
decrecimiento
considerable al aumentar los porcentajes de cal a la mezcla del suelo de subrasante. Influencia de la Cal sobre la humedad optima y la densidad máxima.
Según ensayos de laboratorio, la humedad optima en la mezcla de suelo de subrasante + cal, aumenta conforme, incrementamos los porcentajes de cal a la muestra.
Según ensayos Los valores de la Densidad Máxima de la mezcla de suelo de subrasante + cal presenta poco decrecimiento a medida que aumentamos los porcentajes de cal a la muestra.
Influencia de la Cal sobre el mejor amiento de la Resistencia del suelo CBR.
Los valores de CBR., aumentan considerablemente, a medida que se incrementan los porcentajes de cal en la mezcla de suelo + cal del material de subrasante. 67
Resumen de los ensayos en el laboratorio de Suelos:
1.- Resumen de los porcentajes de Cal sobre los Límites de Atterberg.
Figura 4.2 Comportamiento de los Limites de Atterberg sobre los porcentajes de cal.
68
2.- Resumen e Influenc ia de la Cal sobre Los Ensayos de Compactació n.
Figura 4.3 Comportamiento de la Densidad y Humedad sobre los % de Cal
69
3.- Resumen e Influencia de la Cal sobre el CBR.
Figura 4.4 Comportamiento de la resistencia del CBR Vs. Los % de Cal. 70
4.- Resumen e Influencia de la Cal sobre el esponj amiento.
Según los datos del ensayo de esponjamiento se puede apreciar en las curvas del % de Cal Vs. % de Hinchamiento que a partir de una estabilización de suelo de subrasante con el 4% de cal, los resultados de esponjamiento del suelo tratado es prácticamente 0.00%.
Figura 4.5 Comportamiento y reducción del factor de esponjamiento sobre la adición de los % de Cal
71
Figura 4.6 Comportamiento y reducción del factor de esponjamiento sobre la adición de los % de Cal 72
5.- Resumen de los Costos de Estabilización con Cal, Cemento y Material mejorado + arena para reducir Plastic idad.
La estabilización del suelo de subrasante con el 6% de Cal, resulta un 15% más económico que la estabilización suelo – cemento con el 12% de este conglomerante, según recomendaciones Internacionales para el tipo de suelo en estudio..
73
74
4.3 4.3 Disc Discusi usión ón de resultados . A partir de los resultados
de los ensayos en
laboratorio
correspondiente a las mezclas de suelo con los diferentes porcentajes de cal, se pueden diagnosticar los siguientes resultados:
Las Subrasantes que no fueron estabilizadas estabilizadas con cal tienen un valor de CBR menor que 4, el cual está por debajo de las normas para diseño pavimento.
Las subrasantes que fueron estabilizadas con porcentajes de cal comprendido entre entre el 4 y 8% presentan aumento notable del valor de CBR. CBR. Y desde el punto punto de vista vista técnico técnico – económico es muy deseable.
Los valores de subrasante subrasante que fueron estabilizados estabilizados con un porcentaje de cal mayor a 10 presentan un incremento en el CBR. prácticamente igual a los valores que están por por debajo debajo del 8%. Lo cual no es deseab deseable le desde el punto de vista vista económico.
Las estabilizaciones estabilizaciones de suelo de subrasante subrasante con los diferentes porcentajes de cal, presentan un incremento en la humedad óptima y un decrecimiento en la densidad máxima, a medida que se aumenta el porcentaje porcentaje de cal.
Las mezclas de suelo suelo + cal comprendidas entre el porcentaje porcentaje (4 y 8%), presentan
un
decrecimiento decrecimiento notable del Índice de
Plasticidad.
Los valores valores del Índice de Plasticidad Plasticidad que que fueron fueron estabilizados estabilizados con con un porcentaje de cal mayor a 10, varía muy poco con relación a la mezcla que fue realizada realizada con el 8% de Cal. 75
4.4 4.4
Verif Verificaci icación ón de hip ótesis.
Con los datos datos de laboratorio, laboratorio, los resultados de los ensayos ensayos de las diferentes muestras estabilizadas con cal con con el
material de
subrasante para la vía objeto de estudio estudio se puede determinar que los valores de CBR, aumentan considerablemente y son aptos para el diseño de pavimentos, pavimentos, se debe tom tomar ar en cuenta el aspecto económico. Para decidir
el porcentaje recomendado desde el
punto de vista técnico – económico. Con la estabilización estabilización del suelo suelo de subrasante y la adición de cal se puede verificar que los valores de los Índices de plasticidad presentan un decrecimiento favorable ante la presencia de humedad, de esta manera
se permite atenuar los efectos
negativos de la plasticidad. Finalmente se pudo verificar que los valores valores de Humedad óptima y densidad máx máxima ima
aumentan y disminuyen respectivamente respectivamente
conforme se incrementa el porcentaje porcentaje de adición de cal. cal.
76
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
77
5.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones:
La Carretera Montecristi - Los Bajos, objeto de estudio, tiene como material de subrasante un suelo arcilloso, por lo cual, siguiendo las normas internacionales de estabilización de suelos y a partir de los ensayos de laboratorio realizados, se ha recomendado efectuar una estabilización con cal, la que arroja resultados
favorables en el
incremento del CBR, y de reducción del Índice de Plasticidad.
Se comprobó que existe una reducción significativa del Índice de Plasticidad con el incremento del porcentaje de cal; provocado por un ligero aumento del Límite de Plasticidad y un apreciable decrecimiento del Límite Líquido.
Los resultados obtenidos son satisfactorios
según el contenido de
cal (6%) para la estabilización de este suelo y están dentro del rango internacionalmente reconocido para ello (4 -8%).
Es muy importante analizar un estudio hidrológico e hidráulico del área de estudio para ubicar los drenajes como cunetas, alcantarillas, puentes, etc. y de esta manera evitar que los suelos expansivos tengan contacto con la humedad.
Para evitar el ingreso de agua en suelos expansivos y evitar los cambios volumétricos se pueden utilizar geotextiles pero resulta una alternativa muy costosa. 78
5.2 Recomendaciones:
La estabilización de los suelos de sub-rasante con los conglomerantes más adecuados, que
resulten más eficaces,
deben partir de un estudio detallado del suelo a estabilizar.
Siempre será recomendable desde el punto de vista económico, aplicar estabilizadores de suelos con el propósito de mejorar sus propiedades añadiendo un aditivo como cal, cemento, emulsiones asfálticas, o compuestos químicos, cuando los materiales locales no cumplen con las especificaciones, lo que se justifica además por razones medioambientales, para evitar grandes extracciones de nuevos materiales .
En la provincia de Manabí, los suelos se comportan de forma negativa ante la presencia de humedad, por lo que se recomienda realizar investigaciones futuras que permitan atenuar tales efectos, con la finalidad de reducir los grandes hinchamientos.
Es Conveniente realizar un análisis de la composición química del suelo, puesto que se trata de una estabilización química, para determinar el contenido de materia orgánica y de sulfatos solubles.
79
CAPITULO VI BIBLIOGRAFÍA.
80
6. BIBLIOGRAFÍA.
Alvarez M., Pautasso C. (1964) “Estabilización de suelos finos con cal”. Memorias V Congreso Arg. de Vialidad y Tránsito - Tomo V: 197-223. Embalse. Córdoba. Angelone S. y Martinez F. (1994) “Caracterización de estabilizados de suelo-cal”. Material didáctico del Curso de Actualización en Diseño Estructural de Pavimentos. I.M.A.E. Rosario. Angelone S., Martínez F., Tosticarelli J. (1988) “Modulo resiliente de suelos y materiales no tratados. Su aplicación al diseño estructural de pavimentos en Argentina”. Revista Carreteras Nº 126: 44. Ariizumi A., Maki T., Oba M. (1962) “Stabilization of Kanto Loam by Means of Lime Gypsum Admixtures”. Ann. Research of Roads, Japan Roads Ass. Tokio: 22- 31. ASTM (1958) “Terms relating to hydraulic cement”. Designation C219-55. Book of Standards. Part 4: 195. Audric T., Bouquier L. (1976) “Collapsing behaviour of some loess soils from Normandy”. Quarterly Journal of Engineering Geology. Vol 9: 265 – 277. Ayuso Muñoz J. (1982) “Efectividad de la cal y el cemento en el control de la expansividad de la arcilla”. Boletín Lab. Carreteras y Geotecnia Nº 152: 3-11.
81
Ayuso Muñoz J. y Perez García F (1982) “Influencia del tratamiento con cemento y cal en la resistencia de un suelo arcilloso típico del valle de Guadalquivir”. Bol. Lab. Carreteras y Geotecnia Nº 149:25-33. Bai Xiaohong, Smart P. (2002) “Engineering Properties of Lucheng Loess in Shaxi”. Chinese Journal of Geotechnical Engineering 24: 515-518 (en Inglés). Barden L., Madedor A., Sides G. “Volume change characteristics of unsaturated clay”. Proc. Am. Soc. Civ. Engineers, 95: S.M. 1: 33-53. Barden L., McGown A., Collins K. (1973) “The Collapse Mechanism in Partly Saturated Soil”. Engineering Geology, 7: 49-60. Basma A. and Tuncer E. (1991) “Effect of Lime on Volume Change and Compressibility of Expansive Clays”. Transportation Research Record Nº 1295. Beles A. and Stanculescu I. (1961) “Tassements des Constructions Fondées sur les Sols á Grande Porosité. V Congrés de Méc. des Sols et Fond. Paris. Bell F. (1989) “Lime stabilization of clay soils”. Bull. Int. Ass. Engineering Geology. Nº 39: 67. Bell F. (1996) “Lime stabilization of clay minerals and soils”. Engineering Geology. Nº 42: 223 – 237 Dron R., (1975) “Étude experimental et theorique du systeme SiO2, Al2O3, CaO, H2O”. Bull. Liaison Labo. Pont et Chausseés. Nº 77. 82
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83
ANEXOS
84
1.- Caracterización de la Muestra en estado Natural. -
Granulometría
85
- Limites de Atterberg con 0% de Cal; en Estado Natural.
86
-
Clasific ación d e Suelo en estado Natural según el SUCS.
Por las características Granulométricas se trata de un suelo Fino: -
86% de partículas Pasa Tamiz 200.
Por las condiciones del Límite líquido es mayor que 50 %, puede ser un Limo (M) o Arcilla (C). -
Limite Liquido es
- Índice
:
65.14%.
de Plasticidad es:
33.62%.
Con estos dos datos y el apoyo de la figura 3.2 determinamos que se trata de un Suelo CH, es decir Arcilla inorgánica de alta compresibilidad.
Figura 3.2 Carta de Plasticidad para Clasificación de Suelos de Partículas finas en el Laboratorio.
87
-
Clasific acion de Suelo en estado Natural según el AASHTO.
Tabla 3.1 Clasificación de Suelos Método AASHTO: De acuerdo a las características de Granulometría más del 35% pasa el Tamiz 200; el Limite Liquido es mayor que 41%; y así mismo el Índice de Plasticidad es Mayor a 11. Por lo tanto con los valores de ensayo y según tabla 3.1 se tiene una clasificación según el Método AAshto de un suelo tipo A-7-6 -
86% de partículas Pasa Tamiz 200. Limite Liquido es
- Índice
:
65.14%.
de Plasticidad es:
33.62%.
88
-Ensayos de Limites Atterberg. 1.- 2% CAL
89
2.- 4% CAL.
90
3.- 6% CAL.
91
4.-
8% CAL
92
5.- 10% CAL
93
6.- 12% CAL
94
-
1.-
Ensayos Procto r Estándar y de Compactación. 0 % CAL
95
2.-
4 % CAL
96
3.-
8 % CAL
97
4.-
12 % CAL
98
-
Ensayos de CBR y Esponjamiento.
1.- 0% CAL
99
-
Ensayos de CBR y Esponjamiento en estado natural 0% cal.
-
Gráficos Ensayo de CBR en estado natural 0% cal.
100
2.- 4% CAL
101
-
-
Ensayos de CBR y Esponjamiento de subrasante + 4% cal.
Gráficos Ensayo de CBR con 4% cal.
102
3.- 8% CAL.
103
-
Ensayos de CBR y Esponjamiento de subrasante + 8% cal.
-
Gráficos Ensayo de CBR con 8% cal.
104
4.- 12% CAL.
105
-
Ensayos de CBR y Esponjamiento de subrasante + 12% cal.
-
Gráficos Ensayo de CBR con 12% cal.
106
Foto 01.- Extracción de La Toma de Muestras Km 1.
Foto 02.- Extracción de La Toma de Muestras Km 2.
107
Foto 03.- Extracción de La Toma de Muestras Km 3.5.
Foto 04.- Extracción de La Toma de Muestras Km 4.5. 108
Foto 05.- Material de Subrasante de la Vía previo a ser pesada en Balanza.
Foto 06.- Material de Subrasante de la Vía pesada en Balanza.
109
Foto 07.- Material de Subrasante de la Vía pesada en balanza y lista para mezclar con los porcentajes de cal 2%, 4%, 6%, 8% 10% y 12%.
Foto 08.- Cuantificación de la Cal según los porcentajes 2%, 4%, 6%, 8% 10% y 12%. Previo a la mezcla con el material de subrasante de la ví a.
110
Foto 09.- Mezclado del material de subrasante de la vía con los porcentajes de cal recomendados.
Foto 10.- Mezcla en seco del material de subrasante % de cal.
111
Foto 11.- Calculo del Volumen de agua Requerido para hidratar la mezcla de suelo de subrasante + % de cal.
Foto 12.- Medición del Volumen de agua Requerido para hidratar la mezcla de suelo de subrasante + % de cal. 112
Foto 13.- Hidratación de la mezcla de suelo de subrasante + % de cal.
Foto 14.- Moldes para ensayo de compactación del material de subrasante + % de cal.
113
Foto 15.- Ensayo de Compactación del material de subrasante + % de cal.
Foto 16.- Curado de las Muestras Provistos de manómetros para determinar el hinchamiento.
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Foto 17.- Ensayo de CBR
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