MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE SUBRASANTE LUZ AREIDY ABRIL OSPINA L I N E Y K AT AT H E R I N E C O R R E D O R JESSICA ANDREA BLANCO DÍAZ
INTRODUCCIÓN Todas las propiedades, condiciones y características que posee un suelo, son diferentes, por esto se emplean ensayos para modificarlos y luego emplearlos para la construcción de toda obra, logrando la estabilidad apropiada y exigida por la norma que según su uso sea necesario emplear, en este caso, para la ejecución de un diseño vial se seguirá la reglamentación que rige este campo que es la Norma del INVIAS y así, poder estabilizar el suelo para cualquiera de sus componentes.
INTRODUCCIÓN Todas las propiedades, condiciones y características que posee un suelo, son diferentes, por esto se emplean ensayos para modificarlos y luego emplearlos para la construcción de toda obra, logrando la estabilidad apropiada y exigida por la norma que según su uso sea necesario emplear, en este caso, para la ejecución de un diseño vial se seguirá la reglamentación que rige este campo que es la Norma del INVIAS y así, poder estabilizar el suelo para cualquiera de sus componentes.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL •
Conocer los diferentes métodos utilizados en la estabilización de sub-rasantes. OBJETIVOS ESPECIFICOS
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Establecer la diferencia que existe entre las clasificaciones físicas y químicas. Demostrar que métodos de estabilización de subrasantes son los más comúnmente c omúnmente utilizados. Comprender la importancia de estos métodos para mejorar los suelos naturales.
TIPOS DE ESTABILIZACIÓN TIPO
ESTABILIZACIÓN
PRODUCE
Mecanica
Proceso de compactación Densificación
Fisica
Granulometria
Fricción y cohesión
Fisico - Quimica
Suelo - Cal
Intercambio iónico y cementación
Quimica
Suelo - Cemento
Intercambio iónico y cementación
I. BENEFICIOS DE UNA ESTABILIZACIÓN DE SUB-RASANTE
Las técnicas de estabilización, permiten mejorar en forma total o parcial las propiedades de un suelo. Toda estabilización de suelos, al mejorar sus propiedades, permite obtener los siguientes beneficios o ventajas:
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2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Mejoramiento de materiales marginales, es decir, materiales que no son utilizados por sus bajas propiedades de resistencia y cohesión. Mejoramiento de la resistencia del suelo. Aumento de la durabilidad. Control de las deformaciones volumétricas del suelo. Aumento de la trabajabilidad del suelo. Reducción de los requerimientos de espesor de los pavimentos. Aumento de la impermeabilidad del suelo. Reducción del polvo. La optimización de materiales trae como consecuencia un menor impacto ambiental.
II. MECANISMOS PARA LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS Existen varios medios para mejorar la condición de un suelo que ha de ser utilizado para en este tipo de construcciones. Estos se dividen en tres grupos.
A. PROCEDIMIENTOS MECÁNICOS (COMPACTACIÓN). B. PROCEDIMIENTOS QUÍMICOS (ESTABILIZACIONES). C. PROCEDIMIENTOS FÍSICOS.
A) PROCEDIMIENTOS MECÁNICOS (COMPACTACIÓN) Amasado (rodillos pata de cabra). Impactos de carga (pisones) Presión estática (rodillos lisos y neumáticos) Vibración (rodillos vibratorios) Métodos mixtos (combinación de los métodos anteriores).
B) PROCEDIMIENTOS QUÍMICOS (ESTABILIZACIONES): Proceso para el mejoramiento de la resistencia del suelo mediante la reducción de su susceptibilidad a la influencia del agua y condiciones del tránsito en un periodo de tiempo razonable. Los estabilizadores químicos generalmente caen dentro de una de tres categorías:
1. Pueden utilizarse para cubrir e impermeabilizar los granos del suelo y proveer fuerza cohesiva. 2. Un segundo grupo se usa para formar una adhesión cementante entre las partículas del suelo, proporcionando fuerza y durabilidad. 3. Un tercer grupo realmente interactúa con suelos tipo arcilla para alterar la naturaleza del sistema agua – arcilla, baja la plasticidad, el potencial de cambio de volumen, forma uniones cementantes y aumenta la resistencia
La cal se usa en suelos que contienen componentes minerales de arcilla. La reacción entre el mineral de la arcilla y la cal, es la que produce el efecto de estabilización. 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 desarrollarán.
Cuando la cal y el agua se añaden a un suelo arcilloso, comienzan a ocurrir reacciones químicas casi inmediatamente.
A. SECADO. Si se usa la cal viva, la misma se hidrata inmediatamente (químicamente se combina con el agua) y libera calor. Los suelos se secan, porque el agua presente en el suelo participa en esta reacción, y porque el calor generado puede evaporar la humedad adicional.
B. MODIFICACIÓN. Después de la mezcla inicial, los iones de calcio (Ca++) de la cal hidratada emigran a la superficie de las partículas arcillosas y desplazan el agua y otros iones. El suelo se hace friable y granular, haciéndolo más fácil para trabajar y compactar
En esta etapa, el Índice de Plasticidad del suelo disminuye drásticamente, así como lo hace su tendencia a hincharse y contraerse.
El proceso, llamado "floculación y aglomeración", generalmente ocurre en el transcurso de horas.
C. ESTABILIZACIÓN. Cuando se añaden las cantidades adecuadas de cal y agua, el pH del suelo aumenta rápidamente arriba de 10.5, lo que permite romper las partículas de arcilla. La determinación de la cantidad de cal necesaria es parte del proceso de diseño y se estima por pruebas como la de Eades y Grim (ASTM D6276).
2. CEMENTO PORTLAND La estabilización con cemento Portland se puede usar en una gran variedad de suelos, tales como: gravas, arenas, limos y suelos de baja plasticidad. Sin embargo, el cemento no es tan efectivo como la cal en la estabilización de arcillas de alta plasticidad. • Como en el caso de la cal, el cemento ayuda a disminuir el límite líquido y a incrementar el índice plástico y la manejabilidad de los suelos arcillosos. Para suelos arcillosos, la estabilización con cemento es efectiva cuando el límite líquido es menor que 45 – 50 y el índice plástico es menor que aproximadamente 25. • Al igual que la cal, el cemento ayuda a incrementar la resistencia de los suelos y la resistencia decrece con el tiempo de curado.
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La alta resistencia a la compresión desarrollada en suelos de sub-rasantes y bases estabilizados con cemento generan altos valores de rigideces o módulos de resiliencia en las capas resultantes del pavimento. En muchos casos, las resistencias son tan altas y las rigideces tan grandes que la capa tratada con cemento debe ser considerada como una losa estructural.
3. CENIZA VOLANTE (FLY ASH) Pulverizado usualmente asociado con plantas generadoras de energía eléctrica. Es un polvo de grano fino, compuesto principalmente de silicio, aluminio y varios óxidos y álcalis. Dependiendo del tipo de carbón, las cenizas volantes se clasifican • dentro de dos categorías: cenizas con bajo contenido de calcio derivadas de carbón bituminoso y antracitas denominadas cenizas volantes “clase F” y cenizas volantes con alto contenido de calcio, las cuales se derivan de carbones ligníticos y sub-bituminosos y se denominan “clase C”.
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La ceniza volante ha sido utilizada principalmente en la estabilización de suelos como un suplemento o remplazo de la cal o cemento en suelos que muestran pobres propiedades puzolánicas con el fin de aumentar la reacción cal – sílice. La ceniza volante y los suelos estabilizados en bases y sub-rasantes con ceniza volante y cal desarrollan el mismo tipo de mejoras que los suelos estabilizados con cal y cemento. Estas mejoras incluyen cambios en las propiedades físicas, tales como la reducción en la plasticidad y potencial de hinchamiento.
El mejoramiento de las propiedades de los suelos con el añadido de asfalto y productos asfálticos es una técnica socorrida y frecuentemente muy efectiva. Son tres los tipos de producto que se han usado para este fin. •
Productos bituminosos, que son sistemas anhídridos de hidrocarburos totalmente solubles en bisulfuro de carbono.
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Productos asfálticos, procedentes de la destilación y refinamiento del petróleo o asfaltos naturales, más raramente.
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Productos residuo de la destilación destructiva de materiales orgánicos, tales como el carbón, ciertos aceites, lignitos, turbas y madera (alquitranes).
5. OTROS MEZCLAS DE CAL-PUZOLANAS PARA SUELOS CON CANTIDADES BAJAS DE ARCILLA La cal por sí misma puede reaccionar con suelos que contienen tan poca arcilla como 7% e Índices de Plasticidad tan bajos como 10. ESTABILIZACIÓN CON SALES • Las sales se forman a partir de la neutralización de un ácido con una base. Las sales normales tales como el cloruro de sodio (NaCl), cloruro de calcio (CaCl2) o cloruro de potasio (KCl) son sales completamente neutralizadas, es decir que no contienen exceso de iones ácidos de hidrógeno (H+) ni básicos de hidróxilo (OH-). • ESTABILIZACIÓN CON CLORURO DE CALCIO (CACL2) El cloruro de calcio se obtiene como un subproducto en forma de salmuera en algunos procesos industriales, aunque también se puede obtener de algunos arroyos y pozos naturales siendo la fuente más común el obtenido en la elaboración de carbonato de sodio mediante procedimientos químicos. •
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON SILICATO DE SODIO (NA2SIO3) El silicato de sodio pertenece al grupo de compuestos químicos que poseen un amplio intervalo en sus propiedades físicas y químicas. Se le ha empleado como adhesivo, cementante, detergente, defloculante, catalizador, etc., en solución es incoloro e inodoro y actúa en términos generales, como un jabón fuerte, y causa serios daños a los ojos si se llega a introducir en ellos. •
ESTABILIZACIÓN CON CLORURO DE SODIO (NACL) El cloruro de sodio se produce mediante 3 métodos. El más antiguo consiste en el empleo del calor solar para producir la evaporación del agua salada, con lo que se obtienen los residuos de sal. Otro método consiste en la extracción directa de las minas de sal y el método más reciente consiste en la evaporación del agua de mar mediante el empleo de hornos. •
C) PROCEDIMIENTOS FÍSICOS • • • •
Mezcla (suelo con suelo) Confinamiento (suelos friccionantes) Consolidación previa (suelos finos arcillosos) Vibro flotación
TÉCNICAS DE ESTABILIZACIÓN DE LA SUBRASANTE Es necesario: • No presencia de arcillas expansivas . • Aumentar la capacidad portante del material • Hacer el material menos sensible a la acción del agua.
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Nota: La técnica mas conocida es la de granulometría, debido a su simplicidad y utilidad.
TIPOS DE MEZCLA
Mezclas de 2 y 3 materiales. De dos materiales: se deben determinar proporciones que han de mezclarse para obtener un nuevo material. De tres materiales: en caso de que dos materiales no cumplan debe apelarse a un tercer material, para estabilizar la mezcla siempre y cuando sea económicamente factible.
Dentro de los criterios para la estabilización de suelos se encuentran los usados por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos de Norte América para estabilizar suelos. De los factores que se consideran en la selección del estabilizante, el más importante es el tipo de suelo que se va a estabilizar. Para el cual hay más de un estabilizante que se puede aplicar con éxito, la Fuerza Aérea, utiliza guías o líneas basados sobre todo en la granulometría, plasticidad y textura del suelo. .
La selección de estabilizantes se hace usando la siguiente Figura y Tabla. El triángulo de la granulometría del suelo en la Figura está basada en las características de la granulometría de los suelos y en las características de pulverización. El proceso de selección del estabilizante se continúa con la Tabla como indica para cada área mostrada en la Figura.
FIGURA. TRIANGULO DE LA GRANULOMETRIA
TABLA.
Las restricciones se basan en la granulometría y en el índice de plasticidad, (IP) se usa la segunda columna de la Tabla, en ésta, se enlistan los símbolos para la clasificación de suelos que se aplica para cada área determinada por la Figura . Esto se hace para verificar que el área seleccionada es la apropiada. Debido a ello, la distribución granulométrica y los límites de Atterberg son usados para iniciar el proceso de selección. Los datos que se requieren para entrar a la Figura son: • Porcentaje de material que pasa la malla No. 200 • Porcentaje de material que pasa la malla No. 4 pero que se retiene en la No. 200. Al triángulo se entra con estos dos valores y en donde se intercepten esa es el área (1A, 2A, 3, etc.)
CONCLUSIONES •
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Los materiales disponibles en procedimientos químicos para carreteras pueden ser procesados mediante estabilización y entonces ser utilizados en la construcción de caminos de bajos costos. La estabilización de suelos con cemento para mejorar sus características y permitir su aprovechamiento es una técnica moderna, económica y sostenible. La cal utilizada como estabilizante mejora significativamente el comportamiento de los suelos, convirtiéndose en una alternativa económica para la construcción de pavimentos en el país. Una estructura de pavimento conformada por una base estabilizada con cal, posee mayor modulo resiliente que una estructura de pavimento de mayor espesor y sin estabilización de la base.
