Proyecto de Tesis.pdf

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FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

PROYECTO DE TESIS

ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD DE SUELOS

PROVENIENTES DE LA ZONA LADRILLERA, SAN

JERÓNIMO - CUSCO, TRATADOS MEDIANTE LA

MEZCLA DE CAL HIDRATADA Y FIBRAS DE

POLIPROPILENO PARA SU USO COM

POLIPROPILENO PARA SU USO COMO BASE Y

O BASE Y

SUB-BASE.

Presentado por

Delgado Farfán, Dalton Ysaacs

Para optar al Título Profesional de

Ingeniero Civil

Asesor:

Ing. Eigner Román Villegas

CUSCO

CUSCO –

– PERÚ

PERÚ

2016.

UNIVERSID

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ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE GENERAL ... i ÍNDICE GENERAL ... i 1.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 9PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 9 1.1.

1.1. Ámbito de Influencia de la Tesis Ámbito de Influencia de la Tesis ... 9... 9 1.1.1.

1.1.1. Ubicación Geográfica ... 9Ubicación Geográfica ... 9 1.1.2.

1.1.2. Accesibilidad ... Accesibilidad ... 10... 10 1.1.3.

1.1.3. Ámbito de Influencia de la Teórica Ámbito de Influencia de la Teórica ... 11... 11 1.2.

1.2. Descripción de la Situación Actual Descripción de la Situación Actual ... ... 1111 1.2.1.

1.2.1. Diagnóstico de la Situación Actual ... 11Diagnóstico de la Situación Actual ... 11 1.3.

1.3. Justificación ... 12Justificación ... 12 1.3.1.

1.3.1. Justificación del Problema ... 12Justificación del Problema ... 12 1.4.

1.4. Formulación del Problema ... 12Formulación del Problema ... 12 1.4.1.

1.4.1. Formulación Interrogativa del Problema General ... 12Formulación Interrogativa del Problema General ... 12 1.4.2.

1.4.2. Formulación Interrogativa de los Formulación Interrogativa de los Problemas Específicos Problemas Específicos ... ... 1313 1.5.

1.5. Objetivos ... 13Objetivos ... 13 1.5.1.

1.5.1. Objetivo GeneralObjetivo General... 13... 13 1.5.2.

1.5.2. Objetivos Específicos ... 14Objetivos Específicos ... 14 1.6.

1.6. Metodología de la Tesis ... 15Metodología de la Tesis ... 15 1.6.1.

1.6.1. Tipo de Investigación ... 15Tipo de Investigación ... 15 1.6.2.

1.6.2. Nivel de la Investigación ... 15Nivel de la Investigación ... 15 1.6.3.

1.6.3. Método de Investigación ... 15Método de Investigación ... 15 2.

2. MARCO TEÓRICO DE LA TESIS ... 16MARCO TEÓRICO DE LA TESIS ... 16 2.1.

2.1. Antecedentes de la Te Antecedentes de la Tesis sis ... 16... 16 2.1.1.

2.1.1. Antecedentes a Nivel Na Antecedentes a Nivel Nacional cional ... 16... 16 2.1.1.1.

2.1.1.1. Tesis: “PRUEBAS CON UN PRODUCTO ENZIMÁTICO COMOTesis: “PRUEBAS CON UN PRODUCTO ENZIMÁTICO COMO AGENTE

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Ravines Merino, María Alejandra. Universidad de Piura, Facultad de Ravines Merino, María Alejandra. Universidad de Piura, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Civil. Piura,

Ingeniería, Departamento de Ingeniería Civil. Piura, 2010. 2010. ... 16... 16 2.1.2.

2.1.2. Antecedentes a Nivel Internaci Antecedentes a Nivel Internacional onal ... 17... 17 2.1.2.1.

2.1.2.1. Tesis: “GUÍA BASICA PARA ESTABILIZACION DE SUELOSTesis: “GUÍA BASICA PARA ESTABILIZACION DE SUELOS CON CAL EN CAMINOS DE BAJA INTENSIDAD VEHICULAR EN EL CON CAL EN CAMINOS DE BAJA INTENSIDAD VEHICULAR EN EL SALVADOR.” Huezo Maldon

SALVADOR.” Huezo Maldonado, Heber Manrique & Orellana Martinez,ado, Heber Manrique & Orellana Martinez, Alber

Alber Cristian. Cristian. Universidad Universidad de de El El Salvador Salvador Facultad Facultad de de Ingeniería Ingeniería yy Arquitectura, Escuela de Inge

Arquitectura, Escuela de Ingeniería Civil. El Salvador, 2009. niería Civil. El Salvador, 2009. ... 17.... 17 2.1.2.2.

2.1.2.2. Tesis: “ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTABILIZACIÓN DETesis: “ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTABILIZACIÓN DE UN SUELO ARCILLOSO ALTAMENTE EXPANSIVO UTILIZANDO UN UN SUELO ARCILLOSO ALTAMENTE EXPANSIVO UTILIZANDO UN COPOLIMERO MULTIENZIMATICO.” Valdez Guzmán, Carlos Aurelio. COPOLIMERO MULTIENZIMATICO.” Valdez Guzmán, Carlos Aurelio. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Facultad de Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Facultad de Ingeniería Civil. Michoacán. México, 2008. ... 19 Ingeniería Civil. Michoacán. México, 2008. ... 19 2.2.

2.2. Bases Teórico Científicas ... 20Bases Teórico Científicas ... 20 2.2.1.

2.2.1. Suelo. ... 20Suelo. ... 20 2.2.2.

2.2.2. Arcilla. Arcilla. ... 20... 20 2.2.2.1.

2.2.2.1. Propiedades de las Arcillas Propiedades de las Arcillas ... ... 2121 2.2.2.2.

2.2.2.2. Clasificación de las Arcillas. Clasificación de las Arcillas. ... ... 2323 2.2.2.3.

2.2.2.3. Minerales Constitutivos de las Arcillas. Minerales Constitutivos de las Arcillas. ... 25... 25 2.2.2.4.

2.2.2.4. Físico Química de las Arcillas ... 26Físico Química de las Arcillas ... 26 2.2.2.5.

2.2.2.5. Relaciones entre las Fases Relaciones entre las Fases Sólida y Líquida de Sólida y Líquida de una Arcilla. una Arcilla. .. 28.. 28 2.2.3.

2.2.3. Cal (Carbonato de Calcio) ... 33Cal (Carbonato de Calcio) ... 33 2.2.3.1.

2.2.3.1. Tipos de Cal, Ventaja y Desventajas. ... 34Tipos de Cal, Ventaja y Desventajas. ... 34 2.2.4.

2.2.4. Fibras Sintéticas. ... 35Fibras Sintéticas. ... 35 2.2.4.1.

2.2.4.1. Propiedades de las Fibras. ... 35Propiedades de las Fibras. ... 35 2.2.4.2.

2.2.4.2. Uso General de las Fibras Sintéticas. Uso General de las Fibras Sintéticas. ... 37... 37 2.2.4.3.

2.2.4.3. Elección de Fibras Adecuadas Para Cada Aplicación. ... 37Elección de Fibras Adecuadas Para Cada Aplicación. ... 37 2.2.4.4.

2.2.4.4. Fibras para el Refuerzo de Tierras. ... 39Fibras para el Refuerzo de Tierras. ... 39 2.2.5.

(5)

2.2.5.1. Características. ... 45

2.2.5.2. Propiedades. ... 45

2.2.6. Estabilidad de Suelos. ... 46

2.2.6.1. Propiedades de la Estabilidad de Suelos. ... 46

2.2.6.2. Tipos de Estabilizaciones... 52

2.2.6.3. Estabilización de Suelos mediante Métodos Físicos. ... 57

2.2.6.4. Estabilización de Suelos mediante Otros Métodos. ... 59

2.2.6.5. Estabilización con Cal. ... 60

2.2.6.6. Modificación con cal. ... 62

2.2.7. Pavimento. ... 65

2.2.7.1. Características de un Pavimento. ... 65

2.2.7.2. Clasificación de los pavimentos. ... 66

2.2.7.3. Elementos que conforman la Estructura de un Pavimento. ... 67

2.2.8. Ensayos de Laboratorio. ... 70

2.2.8.1. Clasificación de Suelos. ... 70

2.2.8.2. Propiedades Índice (Límites de Attenberg) ... 71

2.2.8.3. Contenido de Humedad, Ceniza y Materia Orgánica. ... 74

2.2.8.4. Gravedad Específica. ... 76

2.2.8.5. Contenido óptimo de Cal (Eades & Grimm Test). ... 79

2.2.8.6. Ensayos de Compactación ... 81

2.2.8.7. Resistencia a la Compresión Simple. ... 84

2.2.8.8. Consolidación. ... 85 2.2.8.9. CBR. ... 87 2.2.8.10. Módulo de Resiliencia. ... 89 2.3. Hipótesis ... 93 2.3.1. Hipótesis General ... 93 2.3.2. Sub Hipótesis ... 93

(6)

2.4. Variables e Indicadores ... 94

2.4.1. Variables Independientes ... 94

2.4.2. Indicadores de Variables Independientes ... 94

2.4.3. Variables Dependientes ... 95

2.4.4. Indicadores de Variables Dependientes ... 95

2.5. Cuadro de Operacionalización de Variables. ... 96

2.6. Matriz de Consistencia ... 97

3. CONTENIDO TENTATIVO DE LA TESIS ... 98

4. PLAN DE ACTIVIDADES ... 106

5. RECURSOS Y PRESUPUESTO ... 107

6. REFERENCIAS ... 108

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Índice de Figuras

Figura 1 - Mapa de Ubicación ... 9

Figura 2 - Mapa de acesibilidad ... 10

Figura 3 - Estructura Molecular de la Sílica. ... 26

Figura 4 - Estructura Molecular de la Alumínica. ... 26

Figura 5 - Formación de la doble capa en torno a un cristal de arcilla sumergido en agua. ... 32

Figura 6 - Forma de las Fibras Sintéticas. ... 36

Figura 7 - Aspecto del Polipropileno Virgen. ... 43

Figura 8 - Aspecto de Fibra de Polipropileno Fibrilado y Empaquetado de 19mm.de Longitud. ... 43

Figura 9 - Morfología de la Fibra de Polipropileno en SEM. ... 43

Figura 10 - Estabilización con cemento en Carreteras. ... 55

Figura 11 - Estabilización con asfalto en Carreteras. ... 57

Figura 12 - Estabilización con Cal en Carreteras. ... 61

Figura 13 - La Capa Estabilizada con cal Soporta la erosión ... 61

Figura 14 - Arcilla Floculada... 64

Figura 15 - Prueba no confinada de compresión ... 85

Figura 16 - Esquema donde se indica cómo se obtiene el módulo de resiliencia a partir de la curva de tracción. ... 90

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Índice de Tablas

Tabla 1 - Cuadro de Ubicación Geográfica ... 9

Tabla 3 - Superficies específicas en algunas arcillas ... 21

Tabla 4 - Capacidad de intercambio Catiónico de algunas arcillas ... 22

Tabla 5 - Clasificación de los silicatos deacuerdo a los Silicatos ... 24

Tabla 6 – Tipos de cal ventajas y desventajas ... 34

Tabla 7 - Características Representativas de fibras ... 39

Tabla 8 - Relación entre Diámetro y Superficie Específica de las Fibras Sintéticas ... 40

Tabla 9 - Características de Diversas Fibras de Polipropileno ... 44

Tabla 10 – Efectividad de los agentes estabilizadores según el tipo de suelo . 54 Tabla 11 - Pérdida en Testigos de Compresión de Suelos estabilizados con Cemento ... 56

Tabla 12 - Contenido de Asfalto para Estabilizar ... 57

Tabla 13 - Cantidad Mínima de Espécimen de material Húmedo Seleccionado como Representativo de la Muestra Total ... 75

Tabla 14 - Valores Típicos para el Factor de Corrección "α" ... 78

Tabla 15 - Valores Típicos de Gs ... 79

Tabla 16 - Método del Proctor Estandar ... 82

Tabla 17 - Método del Proctor Modificado ... 83

Tabla 18 - Valores de Carga Unitaria a utilizarse en la ecuación de CBR. ... 88

Tabla 2 - Cuadro de Operacionalización de Variables ... 96

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INTRODUCCIÓN

El presente trabajo de investigación que lleva por título: “ Análisis de la Estabilidad de Suelos Provenientes de La Zona Ladrillera, San Jerónimo - Cusco, Tratados Mediante la Mezcla de Cal Hidratada y Fibras de Polipropileno para su uso como base y sub base”, se desarrolla en la especialidad de Geotecnia de Ingeniería Civil. Como lo indica el título se desarrolla en la Región Cusco, Provincia del Cusco, distrito de San Jerónimo donde se halla la Zona de Ladrillera de donde se ha optado realizar la toma de muestras.

Para el presente trabajo de investigación se tiene como objetivo general determinar el comportamiento de estos suelos para lo cual se ha decidido comparar las propiedades de una muestra de suelo no mejorada y otra mejorada con cal hidratada y fibras de polipropileno, siendo las propiedades a analizar los límites de Atterberg, Contenido de Humedad Óptimo y el Peso específico Seco Máximo, Esfuerzo a la Compresión Inconfinada, el CBR y el Grado de Consolidación. En base a las Normas Técnico Peruanas (NTP) y el Manual de Ensayo de materiales del MTC, se ha de mencionar que también se toma como referencia normas internacionales como son: ASTM D2974 Determinar del Contenido de Humedad, Ceniza y Materia Orgánica de turba y otros suelos orgánicos, ASTM D6276 Determinación de pH para mínimo contenido de cal (Eads –Grim Test) y ASTM D5102 Resistencia a la Compresión No Confinada mezcla suelo-cal. Los diferentes ensayos de laboratorio se realizaran en el Laboratorio de Suelos y Pavimentos así como el Laboratorio de Química de la Universidad Andina del Cusco que cuenta con los equipos necesarios para concretar estos ensayos.

Siguiendo un orden preestablecido, el contenido general de este trabajo de investigación se da de la siguiente manera:

Capítulo I, planteamiento del problema, justificación e importancia, objetivos a lograr, hipótesis y la definición de variables.

Capítulo II, Antecedentes y aspectos teóricos pertinentes.

Capítulo III, Metodología, procedimientos de recolección y análisis de datos.

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Capítulo IV, resultados puntos más relevantes en el análisis de datos.

Capítulo V, contraste de resultados con el marco teórico.

Se dan las conclusiones y recomendaciones necesarias, citando las referencias usadas.

Finalmente se consideran los anexos de las normas internacionales usadas en los ensayos.

El presente trabajo de Investigación busca llegar a resultados concluyentes que incrementen el conocimiento sobre el tema de estabilización de suelos arcillosos, en este caso de la Zona Ladrillera. Brindar una solución para el tratamiento de las arcillas, ante su inestabilidad ante la presencia de agua y su baja resistencia a la carga vehicular. Por lo cual se ha centrado el estudio para su uso como material de base o sub-base, para la infraestructura vehicular. Por otro lado, en un fin didáctico debe ser una guía o un punto de referencia para el tratamiento del suelo arcilloso que se encuentre durante la ejecución de obras viales y su aprovechamiento correspondiente.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1. Ámbito de Influencia de la Tesis

1.1.1. Ubicación Geográfica

La zona elegida para el presente trabajo de investigación es la Zona Ladrillera por conocimientos previos de la existencia de un suelo tipo fino con alto contenido de arcillas.

Tabla 1 - Cuadro de Ubicación Geográfica

Ubicación Geográfica

Región Cusco

Provincia Cusco

Distrito San Jerónimo

Coordenadas Geográficas

13°33’ S 71° 53’ O

Fuente: Elaboración Propia

Figura 1 - Mapa de Ubicación

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En el Gráfico 1 se delimita la Zona Ladrillera con un polígono de color Rojo cerrado. La cual es la zona de donde se ha destinado extraer las muestras para el presente trabajo de investigación.

1.1.2. Accesibilidad

La Zona descrita anteriormente, que se muestra en la Figura 1 cuenta con vías adecuadas de acceso como son la Vía de Evitamiento. Existe una sola línea de transporte urbano “E.T. Pegaso.” Los vehículos de servicio privado tienen acceso por la vía de evitamiento pero solo se recomienda el uso de estos por un corto periodo debido a la presencia de vehículos de transporte de media y pesada carga los cuales dificultan el tránsito de vehículos menores.

Figura 2 - Mapa de acesibilidad

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1.1.3. Ámbito de Influencia de la Teórica

El presente Trabajo de Investigación se encuentra dentro de la Especialidad de Geotecnia y Transportes de Ingeniería Civil.

1.2. Descripción de la Situación Actual

1.2.1. Diagnóstico de la Situación Actual

La Estabilización de Suelos siempre ha sido un estudio laborioso debido a la característica del suelo de variar sus propiedades en sentido vertical y horizontal. De la misma manera la necesidad de poder utilizar los suelos que se encuentran in situ durante la ejecución de una obra, en el presente estudio se enfocará para infraestructura vial, para aprovechar el uso de los recursos disponibles y disminuir los costos de operación.

La Estabilización de suelos se logra por medios físicos o la aplicación de determinados productos químicos para lograr el mejoramiento de las propiedades mecánicas. Dentro de este último podemos encontrar el uso del carbonato de calcio, denominada en adelante simplemente cal, como aditivo para la estabilidad de suelos que debe cumplir ciertos requerimientos establecidos en la AASHTO M-216 ó NTP Nº 334.125:2002 Cal viva y cal hidratada para Estabilización de Suelos.

De la misma manera el uso de las Fibras de Polipropileno, un método de estabilización no muy usado en suelos, sin embargo en edificaciones se le conoce como un aditivo para el Concreto Armado, que incrementa la resistencia a la flexión, en base a este hecho se utilizaría esta misma propiedad en la estabilidad de suelos.

La aplicación por medio de una mezcla sobre un suelo arcilloso supone una solución, que podría incrementar las propiedades mecánicas de un suelo y resistir nuevas solicitaciones de carga. Para lo cual se realizarán los ensayos necesarios para demostrar el hecho de que ambos materiales en una proporción adecuada incrementan las propiedades mecánicas del suelo.

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Los primeros ensayos a realizar deben identificar las propiedades o características generales del suelo y de la cal, cada uno independientemente como la mezcla entre ambos. Buscando un punto de equilibrio en la mezcla de su pH, para evitar una carbonatación excesiva del suelo, lo cual servirá para encontrar también el contenido de humedad óptimo y el peso específico máximo de la mezcla suelo-cal con fibras de polipropileno, al ser las fibras elementos hidrofóbicos no intervienen en la proporción de agua a realizar. Consiguientemente, se procederá a realizar los ensayos de compresión inconfinada, CBR y consolidación unidimensional para suelo sin estabilizar y suelo estabilizado. Los resultados obtenidos habrán de compararse para cuantificar la mejoría entre ambos especímenes.

1.3. Justificación

1.3.1. Justificación del Problema

El presente Proyecto de Tesis es importante porque nos permite conocer el comportamiento de suelos provenientes de la zona Ladrillera del Distrito San Jerónimo de la provincia del Cusco que al ser estabilizados mediante la mezcla de cal hidratada y fibras de polipropileno, mejoran su comportamiento ante la acción de solicitaciones externas. Asimismo se puede aplicar los mismos principios en proyectos donde se puede hacer uso del material propio existente en la zona. Lo cual con lleva a una disminución de costo, añadiendo un valor agregado al proyecto. De esta forma mejorar la calidad de las vías a un menor costo.

1.4. Formulación del Problema

1.4.1. Formulación Interrogativa del Problema General

¿En qué medida se modifican las magnitudes de las propiedades físico-mecánicas de un suelo estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eads Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona ladrillera del Distrito San Jerónimo- Cusco?

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1.4.2. Formulación Interrogativa de los Problemas Específicos

a) ¿Cuál es la diferencia del Contenido de Humedad Óptimo y el Peso específico Seco Máximo de un suelo, estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona de ladrillera San Jerónimo?

b) ¿Cómo varía el esfuerzo a la Compresión Inconfinada de un suelo, estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona de ladrillera San Jerónimo?

c) ¿Cuál es la diferencia del grado de consolidación de un suelo, estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona de ladrillera San Jerónimo?

d) ¿En qué porcentaje varía el CBR de un suelo, estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona de ladrillera San Jerónimo?

e) ¿Cómo varía el Módulo Resilente de un suelo, estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona de ladrillera San Jerónimo?

1.5. Objetivos

1.5.1. Objetivo General

Determinar la proporción en la cual se modifican las magnitudes de las propiedades físico-mecánicas de un suelo estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno

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al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de modificación proveniente de la zona ladrillera del Distrito San Jerónimo-Cusco.

1.5.2. Objetivos Específicos

a) Analizar la diferencia del Contenido de Humedad Óptimo y el Peso específico Seco Máximo de un suelo, estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona de ladrillera San Jerónimo.

b) Cuantificar la variación en el esfuerzo a la Compresión Inconfinada de un suelo, estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona de ladrillera San Jerónimo.

c) Determinar la diferencia del grado de consolidación de un suelo, estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona de ladrillera San Jerónimo.

d) Determinar el porcentaje en que varía el CBR de un suelo, estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona de ladrillera San Jerónimo.

e) Cuantificar la variación del Módulo Resilente de un suelo, estabilizado con cal hidratada, determinada por el Eades Grim Test, y fibras de polipropileno al 0.20, 0.30 y 0.40% del peso del suelo seco y otro suelo sin proceso de estabilización proveniente de la zona de ladrillera San Jerónimo.

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1.6. Metodología de la Tesis

1.6.1. Tipo de Investigación

En concordancia a lo que menciona (Hernandez Sampieri, 2007) y (Bernal, 2002) un enfoque cuantitativo usa la recolección de datos para probar hipótesis, con base en la medición numérica y el análisis estadístico, para establecer patrones de comportamiento y probar teorías. Lo cual supone una serie de postulados que expresen relaciones entre variables estudiadas de forma deductiva. La presente investigación es aplicativa pues usa los recursos disponibles y en beneficio de la sociedad.

Por lo cual el tipo de investigación es: Cuantitativo y aplicativa.

1.6.2. Nivel de la Investigación

En concordancia a lo que menciona (Hernandez Sampieri, 2007, pág. 105) el propósito de un estudio correlacional es conocer la relación que exista entre dos o más conceptos categorías o variables en un contexto en particular. Los estudios correlaciónales cuantifican las relaciones es decir, miden cada variable presuntamente relacionada y después miden y analizan la correlación.

Por lo cual el tipo de investigación es: Correlacional.

1.6.3. Método de Investigación

En concordancia a lo que menciona (Bernal, 2002, pág. 56) el método hipotético – deductivo, consiste en procedimiento que parte de unas aseveraciones en calidad de hipótesis y busca refutar o f alsear tales hipótesis, deduciendo de ellas conclusiones que deben confrontarse con los hechos.

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2. MARCO TEÓRICO DE LA TESIS

2.1. Antecedentes de la Tesis

2.1.1. Antecedentes a Nivel Nacional

2.1.1.1. Tesis: “PRUEBAS CON UN PRODUCTO ENZIMÁTICO

COMO AGENTE ESTABILIZADOR DE SUELOS PARA

CARRETERAS.” Ravines Merino, María Alejandra.

Universidad de Piura, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Civil. Piura, 2010.

Esta tesis evalúa el producto: Perma-Zyme 22X, el cual es un aditivo a base enzimas orgánicas que se vende como posible mejorador de la estabilidad de suelos y permitiría incrementar la resistencia de suelos finos plásticos - arcillosos.

Las pruebas se realizaron en el Laboratorio de Suelos de la Universidad de Piura con base en la Norma Técnica Peruana adecuada para cada ensayo realizado. El estudio se centra en un solo tipo de suelo y las variaciones sufridas en sus propiedades mecánicas después del uso del aditivo químico.

Como resultado final se presentan una serie de cuadros y tablas que muestran una tendencia positiva a mejorar algunas propiedades.

Las conclusiones a resaltar de esta tesis son:

 Las pruebas mecánicas demuestran que existe una tendencia a

mejorar ciertas propiedades:

- Aumento del valor soporte relativo y de la resistencia. Se confirma una mejoría en los resultados de las pruebas CBR, con un aumento en los resultados de las pruebas de hasta el 200% en el material con aditivo con respecto al material sin aditivo. - Los mejores resultados se dieron en aquellas probetas en la

cuales se trabajó con la mayor concentración de aditivo y con la condición de 72 horas de secado antes de colocarlas en la poza

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- Los resultados de CBR coinciden con los resultados de las pruebas hechas por el MTC, lo que confiere una mayor credibilidad a la investigación.

- Existe la tendencia a la disminución de absorción de agua. El aditivo provoca la acción aglutinante sobre los materiales finos plásticos-arcillosos, por la cual en las probetas con mayor porcentaje de finos la absorción de agua (aunque no muy notoria) es menor.

- Existe la tendencia a la disminución del hinchamiento. Mayor reducción en aquellas probetas a las cuales se dejó el aditivo actuar 72 horas antes de ponerlas en la cámara de curado. La mayor reducción del hinchamiento lograda fue de un 50% con respecto a las probetas si aditivo.

2.1.2. Antecedentes a Nivel Internacional

2.1.2.1. Tesis: “GUÍA BASICA PARA ESTABILIZACION DE

SUELOS CON CAL EN CAMINOS DE BAJA INTENSIDAD VEHICULAR EN EL SALVADOR.” Huezo Maldonado, Heber Manrique & Orellana Martinez, Alber Cristian. Universidad de El Salvador Facultad de Ingeniería y Arquitectura, Escuela de Ingeniería Civil. El Salvador, 2009.

Cuando en el ámbito de la construcción de caminos se encuentran suelos plásticos (arcillas), lo primero que se piensa es la manera de cómo solventar este problema y a menudo se soluciona con el desalojo de todo el material plástico generando así un mayor costo.

Un buen tratamiento de los suelos plásticos mediante una estabilización, permitirá utilizar los suelos del lugar donde se realizará una obra, bajando costos de préstamo y acarreo de material.

Con el diseño y técnica de construcción apropiado, el tratamiento con cal transforma químicamente los suelos plásticos en materiales utilizables como estructura de pavimento, mejorando características y propiedades del suelo entre estas la resistencia a la compresión y capacidad portante.

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De ahí la importancia de desarrollar en base a una amplia investigación una “Guía básica para estabilización de suelos con cal en caminos de baja intensidad vehicular en El Salvador”, la cual es presentada en tres grandes áreas:

La primera, generalidades sobre los suelos, pavimentos y cal; que corresponde a una investigación bibliográfica teórica referente al tema.

La segunda, el diseño de la mezcla suelo-cal, que corresponde a los ensayos de materiales en laboratorio, regidos bajo las especificaciones de normas ASTM (American Society for Testing and Materials) y AASHTO (American Association of State Highway and Transport

Oficial) correspondientes a cada ensayo.

La tercera, el proceso constructivo de la capa suelo-cal en proyecto de carretera realizando un tramo de prueba, y verificando la calidad de la capa terminada mediante ensayos. Además de presentar una serie de conclusiones y recomendaciones producto del desarrollo de esta investigación, así como la bibliografía utilizada para la misma.

Las conclusiones a resaltar de esta tesis son:

 El suelo estabilizado con cal y analizados para fines de esta

investigación, presenta resultados de resistencia a la compresión con un incremento del mas del 100% a los valores obtenidos para el mismo suelo sin cal a los 90 días de curado, tiempo que se define en la norma ASTM D 5102-04, como el tiempo necesario en los que los especímenes de mezcla suelo-cal alcanzan una resistencia a la compresión aceptable.

 La ganancia de resistencia a la compresión en suelos estabilizados

con cal, depende de diversos factores como el buen diseño de la mezcla suelo-cal, tipo de cal implementada, mineralogía del suelo y proceso constructivo de la capa suelo-cal, de ahí la importancia de establecer un plan de control de calidad que asegure la correcta ejecución de todas las etapas antes mencionadas.

 La ganancia de resistencia a compresión simple inconfinada de

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y AASHTO T 99 para 3 días con curado estándar, fue entre 20 y 30%, a los 7 días entre 40 y 50%, y a los 28 días entre 60 y 70%, de la resistencia obtenida a los 90 días.

 La resistencia a la compresión y los valores de CBR obtenidos en la

mezcla suelo-cal generada para fines de esta investigación, sirven como parámetros de comparación sobre las mejoras que se pueden obtener al adicionar cal a un suelo plástico; la aceptabilidad o rechazo de estos resultados de resistencia a la compresión y valores de CBR dependerán de las especificaciones técnicas y contractuales para cada obra en particular donde sea implementada esta técnica e estabilización.

2.1.2.2. Tesis: “ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTABILIZACIÓN

DE UN SUELO ARCILLOSO ALTAMENTE EXPANSIVO UTILIZANDO UN COPOLIMERO MULTIENZIMATICO.” Valdez Guzmán, Carlos Aurelio. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Facultad de Ingeniería Civil. Michoacán. México, 2008.

Los técnicos de la construcción desde los inicios de la civilización, nos hemos enfrentado a diversos problemas planteados por el terreno, sobre el cual cimentamos nuestros caminos, puentes y edificaciones, en donde la utilización del terreno es visto como un material de construcción siendo conocido como suelo. El suelo, ha sido el de mayor uso y proporción por el hombre en las obras de infraestructura, esto se observa desde los caminos y puentes romanos, en la gran muralla china y el los mayas quienes lograron la construcción de terrazas para contener la erosión del suelos, secaron pantanos mediante la apertura de zanjas y utilizaron el suelo excavado para conformar campos de tierra elevados. Lo anterior sugiere, que desde hace ya bastante tiempo se comprendió que el terreno cercano a las obras, no siempre cumple con los requisitos necesarios para utilizarse en dichas obras. Por los tanto fue necesario utilizar diversas técnicas de mejoramiento o estabilización de un suelo para modificar las características del mismo y adecuarlo a sus necesidades.

(22)

 El aditivo no llega a impermeabilizar completamente al material como

se ve en el material 2, tal vez sea que (en este caso) exista algún mineral que esté afectando la reacción, todo esto pero deja muchas dudas acerca de su funcionamiento, la permeabilidad es otro parámetro que tiende a disminuir en todos los materiales aunque en el material 2 (nuevamente) esta no pare ser afectada por el aditivo. El único parámetro que invariablemente muestra un incremento por el agente o aditivo estabilizador es la compresibilidad del material. Donde debe entenderse por “material 2” a una “Arcilla inorgánic a de media a baja plasticidad (CL) de color gris.”

2.2. Bases Teórico Científicas

2.2.1. Suelo.

En concordancia con (Badillo & Rodríguez, 2005, pág. 34) en la presente investigación denominaremos suelo al: conjunto y agregado de partículas con organización definida y propiedades que varían vectorialmente. En la dirección vertical generalmente sus propiedades cambian mucho más rápido que en sentido horizontal.

De la misma manera se considera el concepto de los mismos autores que entienden por suelo a: “todo tipo de material terroso, desde un relleno de desperdicio, hasta areniscas parcialmente cementadas o lutitas suaves. Quedan excluidas de la definición las rocas ígneas o metamórficas y los depósitos sedimentarios altamente sementados, que no se desintegren rápidamente por acción de la intemperie, asimismo el agua juega un papel importante en el comportamiento mecánica del suelo por lo que debe considerarse como parte integral del mismo.”

2.2.2. Arcilla.

Extrayendo el concepto de (Badillo & Rodríguez, 2005, pág. 37), la arcilla, es el producto final de la descomposición química de numerosos minerales (de aluminio y principalmente silicatos) que se encuentran en las rocas ígneas. Presentan diversas coloraciones dependiendo de su cantidad de impurezas. Físicamente se consideran partículas

(23)

extremadamente pequeñas y de superficie lisa, el diámetro de la partícula de arcilla es inferior a 0.002mm.

De la misma manera (Ravines Merino, 2010) nos brinda el siguiente concepto: La fracción más fina de las partículas que forman el suelo se denomina arcilla, cuyas propiedades físico-químicas dependen de su morfología laminar (filosilicatos), de su tamaño de grano (inferior a 2 μmm) y de las sustituciones isomórficas en las láminas que dan lugar a la aparición de las cargas en éstas.

2.2.2.1. Propiedades de las Arcillas

Según (García Romero & Suárez Barrios) Las principales propiedades de las arcillas son:

 Superficie específica: Se define como el área de la superficie externa

más el área de la superficie interna (en caso de que exista) de las partículas constituyentes. Las arcillas poseen una elevada superficie específica, muy importante en la interacción sólido-fluido.

Tabla 2 - Superficies específicas en algunas arcillas

Tipo de Arcilla Superficie Específica (m2_/g)

Caolinita de alta cristalinidad 15

Caolinita de baja cristalinidad 50

Halloisita 60

Illita 50

Montmorillonita 80-300

Sepiolita 100-240

Paligorskita 100-200

Fuente: (García Romero & Suárez Barrios)

 Capacidad de Intercambio catiónico: se puede definir como la suma

de todos los cationes de cambio que un mineral puede adsorber a un determinado pH. Es equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral. Para entender mejor este concepto se ha de mencionar a las esmecitas que son capaces de cambiar fácilmente los iones fijados en la superficie exterior de sus cristales, en los espacios interlamianres, o en

(24)

otros espacios interiores de la estructura, por otros existentes en soluciones acuosas envolventes. Estas cargas negativas pueden ser generadas de tres formas diferentes. Donde el primero es conocido como carga permamente y supones un 80% de la carga neta de la partícula.

o Sustituciones isomórficas dentro de la estructura.

o Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas. o Disociación de los grupos hidroxilos accesibles.

Tabla 3 - Capacidad de intercambio Catiónico de algunas arcillas

Tipo de Arcilla Capacidad de Intercambio Catiónico (meq/100 g) Caolinita 3 - 5 Halloisita 10 - 40 Illita 10 - 50 Clorita 10 - 50 Vermiculita 100 - 200 Montmorillonita 80 - 200 Sepiolita - Paligorskita 20 - 35

 Capacidad de Absorción: Está directamente ligada con la textura

(superficie específica y porosidad). Acá se puede hablar de dos procesos físicos que se dan de forma aislada:

o El proceso de absorción, que es aquel proceso

fundamentalmente físico como la retención por capilaridad.

o El proceso de adsorción, que es aquel en el cual hay cierto tipo

de interacción química entre la arcilla (en este caso) y el líquido adsorbido.

 Hidratación e hinchamiento: El hinchamiento se da como consecuencia

de la absorción de agua en el espacio interlaminar que genera la separación de las láminas. Esto se puede explicar de la siguiente forma: a medida que el agua penetra y las láminas se separan más entre sí, se generan fuerzas electrostáticas de repulsión entre las láminas, lo cual a la vez contribuye al proceso de hinchamiento logrando disociar unas láminas de otras a veces completamente.

(25)

 Plasticidad: Ésta es la principal característica de este tipo de suelos, y

principalmente es debido a la forma de la partícula y el tamaño de grano. La proporción agua/arcilla es de importancia ya que el agua va a lubricar las láminas causando el deslizamiento de éstas, esto se da cuando hay un esfuerzo generado por una carga mayormente.

 Tixotropía: Esta propiedad se define como la pérdida de resistencia al

amasarla, con su posterior recuperación con el tiempo. Aquellas arcillas que poseen esta propiedad al ser amasadas se convierten en líquido, al dejarlas luego en reposo, recuperarán su cohesión, así como su comportamiento sólido; para que muestre su comportamiento tixotrópico debe tener cierto porcentaje de agua con el cual se aproxima a su límite líquido. Muy por el contrario cuando este porcentaje de agua llega al nivel que se requiere para acercarse al límite plástico, la arcilla no tendrá la oportunidad de presentar su comportamiento tixotrópico.

2.2.2.2. Clasificación de las Arcillas. 2.2.2.2.1. En función a su Volumen.

Como lo indica (Cruz Lopez, 2001) menciona la Clasificación del M.I.T. (Massachusetts Institute of Technology) que muestra la siguiente clasificación para las arcillas.

 Gruesas : 0.002 a 0.0006 mm.  Mediana : 0.0006 mm 0.0002.  Fina (Coloides) : menores a 0.0002mm.

2.2.2.2.2. En función a los Filosilicatos

Los filosilicatos se clasifican atendiendo a que sean bilaminares o trilaminares y dioctaédricos o trioctaédricos. Como puede verse pertenecen a los filosilicatos grupos de minerales tan importantes como las micas y las arcillas.

(26)

Tabla 4 - Clasificación de los silicatos deacuerdo a los Silicatos

DIOCTAÉDRICOS TRIOCTAÉDRICOS

BILAMINARES 1:1

Caolinita Antigorita

Canditas Nacrita Serpentina Crisotilo

Dickita Luzardita Halloisita Bertierina TRILAMINARES T:O:T 2:1 Pirofilita Talco Montmorillonita Saponita

Esmectitas Beidellita Esmectitas -hectorita

Nontronita

Vermiculitas Vermiculitas

Illitas

Moscovita Biotita

Micas Paragonita Micas Flogopita

Lepidolita

TOTO 2:1:1 CLORITAS

FIBROSAS Paligorskita Sepiolita

2.2.2.2.3. En función a su estructura.

Como lo indican con (Badillo & Rodríguez, 2005, págs. 37-38) y de acuerdo con su estructura reticular, los minerales de arcilla se encasillan en tres grandes grupos:

a) Caolinitas (Al2O3-2SiO2-2H2O): Formadas por una lámina silícica y

otra lumínica que se superponen indefinidamente. La unión entre todas las retículas es lo suficientemente firme para no permitir la penetración de moléculas de agua entre ellas (adsorción). En consecuencia, las arcillas caoliníticas serán relativamente estables en presencia del agua.

b) Montmorilonitas [(OH)4Si8 Al4O20 *n H2O]: Formadas por una lámina

alumínica entre dos silícicas, superponiéndose indefinidamente. En este caso la unión la unión retículas del mineral es débil, por lo que

(27)

las moléculas de agua pueden introducirse en la estructura con relativa facilidad, a causa de las fuerzas eléctricas generadas por su naturaleza dipolar. Lo anterior produce un incremento en el volumen de los cristales, lo que se traduce, macrofisicamente, en una expansión. Estas arcillas en presencia de agua, presentarán fuerte tendencia a la inestabilidad. Las bentonitas son arcillas del grupo montmorilonítico, originadas por la descomposición química de las cenizas volcánicas y presentan la expansividad típica del grupo en forma particular aguda, lo que las hace sumamente críticas en su comportamiento mecánico.

c) Ilitas [(OH)4*Ky(Si8-y Aly) (Al4 Fe4 Mg4 Mg6)O20, con y =1.5 por lo

general]: Estructuradas análogamente que las montmorilonitas, pero su constitución interna manifiesta tendencia a formar grumos de materia, reducen el área expuesta al agua por unidad de volumen; por ello, su expansividad es menor que la de la montmorilonitas y en general, las arcillas ilíticas, se comportan mecánicamente en forma más favorable para el ingeniero.

2.2.2.3. Minerales Constitutivos de las Arcillas.

Según (Badillo & Rodríguez, 2005), el comportamiento mecánico de las arcillas se ve decisivamente influido por su estructura en general y constitución mineralógica en particular.

Las arcillas están constituidas básicamente por silicatos de aluminio hidratados, presentando además, en algunas ocasiones, silicatos de magnesio, hierro u otros metales, también hidratados. Estos minerales tienen, casi siempre, una estructura cristalina definida, cuyos átomos se disponen en láminas. Existen dos variedades de láminas:

 Silícica: Formada por un átomo de silicio, rodeado de cuatro de

oxígeno, disponiéndose el conjunto en forma de tetraedro. Estos tetraedros se agrupan en unidades hexagonales, sirviendo de un átomo de oxígeno de nexo entre cada dos tetraedros. Un esquema hexagonal que se repite indefinidamente, constituye una retícula laminar.

 Alumínica: Dispuestos con un átomo de aluminio y seis de oxígeno

(28)

octaedros, esquematizado en la fig. 1.2; siendo también el oxígeno el nexo entre cada dos octaedros vecinos para construir la retícula.

Figura 3 - Estructura Molecular de la Sílica.

Fuente: (Badillo & Rodríguez, 2005, pág. 38)

Figura 4 - Estructura Molecular de la Alumínica.

Fuente: (Badillo & Rodríguez, 2005, pág. 39)

2.2.2.4. Físico Química de las Arcillas

De acuerdo a (Badillo & Rodríguez, 2005) La relación de área a

volumen alcanza valores de consideración y fuerzas

electromagnéticas desarrolladas en la superficie de los compuestos minerales cobran significación. En general, se estima que esta

(29)

actividad en la superficie de la partícula individual es fundamental para tamaños menores de dos micras (0.002 mm.)

La estructura interna de las arcillas se puede explicar por la siguiente teoría: la superficie de cada partícula de suelo posee carga eléctrica negativa, según se desprende de la estructura iónica. La intensidad de la carga depende de la estructuración y composición de la arcilla, así la partícula atrae iones positivos del agua

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, etc. Lo anterior conduce, en primer lugar, al hecho de que cada partícula individual de arcilla se ve rodeada de una capa de moléculas de agua orientadas en forma definida y ligadas a su estructura (agua adsorbida).

2.2.2.4.1. Intercambio Catiónico.

Los cristales de arcilla pueden cambiar los cationes adsorbidos en su película superficial; por ejemplo, una arcilla hidrogenada (con cationes

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+

) puede transformarse en sódica, si se hace que circule a través de su masa, agua con sales de sodio en disolución. En realidad lo que ocurre es un intercambio de cationes entre el agua y las películas adsorbidas por las partículas minerales, lagunas veces en reacción rápida.

La capacidad de intercambio crece con el grado de acidez de los cristales, es decir es mayor si el pH del suelo es menor; la actividad catiónica se hace notable, en general, para valores del pH menores que 7. La capacidad de intercambio también crece con la velocidad y concentración de la solución que circule por la masa del suelo. Las propiedades mecánicas de una arcilla pueden cambiar al variar los cationes contenidos en sus complejos de adsorción, pues a diferentes cationes ligados corresponden distintos espesores de la película adsorbida, lo que se refleja sobre todo en las propiedades de plasticidad y resistencia del suelo. Por esta razón el intercambio catiónico forzado se ha usado y se usa para tratas suelos con fines de comportamiento mecánico.

(30)

En general, los cationes pueden disponerse según su efecto benéfico decreciente en la resistencia de las arcillas de acuerdo con la lista:

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2.2.2.5. Relaciones entre las Fases Sólida y Líquida de una Arcilla.

Según (Badillo & Rodríguez, 2005), las relaciones entre los cristales que componen las arcillas y el agua que los rodea han adquirido gran importancia, de la que se hace uso para explicar los comportamientos macrofísicos, a gran escala, de las arcillas, de interés ingenieril, no es más que un reflejo de la estimulación de toda una serie de fenómenos microfísicos, que ocurren en lo más íntimo de los suelos finos. Así, el estudio de estas relaciones a pequeña escala por así decirlo, cobra cada vez mayor interés.

Antes de exponer algunas ideas sobre las relaciones agua-cristal, parece conveniente mencionar sobre los tipos de nexos que existen entre los átomos, pues ello ayudará a la compresión de fenómenos de importancia.

 Nexos Primarios: Ocurren entre átomos de un cristal de arcilla, son

principalmente los siguientes:

- Nexos Iónicos: Se establecen entre dos átomos que tengan incompleto el número de los electrones en sus bandas más exteriores. Así, un átomo pierde los electrones de su banda extrema, que pasan a ocupar los lugares de los electrones faltantes en la banda extrema del otro. El ejemplo clásico que ilustra este mecanismo es el cloruro de sodio; el sodio, con un solo electrón en su última órbita, lo cede al cloro que tiene únicamente siete electrones en su órbita extrema, completando el número ocho, lo que transforma al cloruro de sodio en una molécula estable.

Los átomos que pierden o gana uno o más electrones por este tipo de mecanismo se denominan iones y poseen carga eléctrica desbalanceada, positiva o negativa según que hayan perdido

(31)

(catión) o ganado (anión) electrones. El nexo iónico es precisamente debido a las fuerzas eléctricas originadas entre esas cargas desbalanceadas.

- Nexos Covalentes: Ocurren entre dos átomos a cada uno de los cuales les falta uno o más electrones en sus bandas extremas; en esos casos dichos átomos pueden combinare para compartir un par o más de electrones de manera que un átomo suple con algunos de sus electrones la deficiencia del vecino, en tano que éste completa al primero compartiendo con él algunos de sus propios electrones. Como ejemplos de este nexo pueden citarse la molécula del oxígeno y la del agua.

En el primer caso, dos átomos de oxígeno, deficientes en dos electrones cada uno, comparten dos pares de electrones para formar la molécula estable; en el caso del agua, un átomo de oxígeno al que falta un electrón en su órbita, en tal forma que el átomo de hidrógeno, a los que falta un electrón en su órbita, en tal forma que el átomo de oxígeno comparte finalmente un par electrones, con cada átomo de hidrógeno.

- Nexo a través de un núcleo de hidrógeno: En ocasiones un átomo de hidrógeno se puede combinar con un átomo de oxígeno, de flúor o de nitrógeno principalmente, cediendo du único electrón al átomo más pesado. De esta manera, el núcleo del átomo de hidrógeno, con su carga positiva, pueden ejercer fuerzas de cierta consideración sobre átomos, iones o moléculas vecinas, está liga así establecida a través del núcleo de hidrógeno resulta mucho más débil que la iónica o que la covalente, estudiada más atrás y cuando se establece entre dos láminas de las que constituyen un cristal de arcilla, producen nexos de unión relativamente débiles y no muy estables.

 Nexos Secundarios: aquellos que se establecen entre moléculas y

a ellos corresponden niveles de energía relativamente bajos en comparación con los que ocurren entre los átomos.

De los nexos que ahora se trata el más importante es el que resulta de la existencia de las llamadas fuerzas de Van der Waals. Estas fuerzas son hasta cierto punto una consecuencia de la naturaleza polar de la moléculas de muchas sustancias, entre ellas del agua; en

(32)

esta moléculas, lo centros de carga positiva y negativa no coinciden, de manera que la molécula en conjunto funcionan como un pequeño dipolo permanente.

Cuando dos moléculas están próximas, el campo de cada una orienta a la otra de manera que el centro de carga positiva de una queda próximo al contrario de la otra, ejerciéndose entre ambas moléculas una fuerza neta de atracción.

- Fuerzas de Van der Waals: pueden ejercerse entre las moléculas que forman dos láminas de un cristal de arcilla, dando lugar a un nexo especial entre ellas que depende del medio que pueda existir entre láminas.

Finalmente entre los cristales de suelo y el agua o entre cualquiera de estos dos iones libres que pueda haber en disolución en el agua del suelo, se distingue otro tipo de nexo molecular, llamado eléctrico, según el cual, las partes planas del cristal cargadas negativamente pueden captar iones positivos e incorporarlos así a su atmósfera de adsorción, o moléculas de agua polarizadas, que constituyen el elemento básico de dicha atmósfera de adsorción; también pueden establecerse atracciones entre moléculas de agua adsorbidas por el cristal e iones positivos en disolución. Se ve entonces que, según sea estas concepciones, la atmósfera de adsorción de un cristal mineral de sueño depende de la naturaleza y abundancia de iones en disolución en la propia agua que impregna el suelo.

Los nexos secundarios reseñados pueden, en conclusión, establecerse entre cualquier tipo de moléculas, serán pertenecientes al propio cristal de suelo, unas al cristal y otras al agua que lo rodea, amabas al cristal de suelo, unas al cristal y otras al agua que lo rodea, ambas ala agua o bien que ocurran entre esas moléculas y los iones en solución.

2.2.2.5.1. Relaciones entre las partículas cristalinas de arcilla y agua.

Cuando una partícula cristalina de arcilla queda rodeada de agua, los átomos de oxígeno del cristal quedan en la superficie de

(33)

se ha hecho referencia en el cuerpo de este capítulo. Si el cristal se considerase como un ente ideal sería eléctricamente neutro, con todas sus cargas eléctricas positivas y negativas balanceadas. Aunque la realidad es otra y en los vértices y aristas de los cristales

se rompe de hecho la continuidad de la estructura, por lo que verdaderamente se tiene, por lo menos en estas zonas, cargas desbalanceadas. Las cargas negativas de los átomos de oxígeno en consecuencia, crean en la superficie del cristal real, un campo eléctrico hacia el exterior, con lo cual las moléculas de agua vecina se ionizan, de maneara que los iones de hidrógeno positivos resultan captados por el cristal, así como también lo hacen los cationes que pudiera haber en disolución en el agua. La atracción eléctrica del cristal disminuye rápidamente con la distancia, de manera que la concentración de cationes en la atmósfera del cristal disminuye también. Puesto que el agua que rodea al cristal es, por lo menos en un principio, eléctricamente neutra, la concentración de iones positivos cerca del cristal debe estar balanceada por un número igual de iones negativos moviéndose libremente en el fluido. La distribución de cationes cerca del cristal debe estar balanceada por un número igual de iones negativos moviéndose libremente en el fluido. La distribución de cationes cerca de la superficie del cristal aparece dibujada en el Gráfico 5.

En la parte a) del gráfico, se supone una distribución uniforme de la carga eléctrica en la superficie del cristal lo cual no es tampoco del todo correcto. La atmósfera de cationes muy cercanos fuertemente unidos al cristal por vínculos eléctricos, así como el grupo de cationes ya ligeramente más desvinculados por su mayor lejanía a la superficie de la partícula, suelen considerarse como dos estratos diferentes, de manera que al sistema en conjunto se le suele llamar sistema de la doble capa difusa. La teoría se la electrostática permite calcular expresiones matemáticas para cuantificar al potencial eléctrico en la doble capa como una función de la distancia a la partícula.

(34)

Figura 5 - Formación de la doble capa en torno a un cristal de arcilla sumergido en agua.

Fuente: (Badillo & Rodríguez, 2005)

En la parte b) del gráfico, se muestra esquemáticamente la forma de la doble capa en el caso que el agua se le añadiese un electrolito; el aumento de iones libres reduce la tendencia de tales iones a a difundirse en el fluido y tiene el efecto final de reducir el espesor de la atmósfera de adsorción. El espesor de dicha atmósfera se ha estimado en 0.1 a 1 micrones en soluciones muy diluidas y se considera mucho más pequeño en soluciones concentradas. Se admite que el espesor de la doble capa varía inversamente son la raíz cuadrada de concentración de cationes. Cuando dos cristales de arcilla quedan suficientemente próximos uno del otro, sus respectivas atmósferas de adsorción se interaccionan de manera que entre ellas aparece un fuerza neta de repulsión. Los cálculos demuestran que la energía libre de los sistemas de doble capa aumentan cuando la superficie de acerca, de forma que es preciso realizar un trabajo exterior para disminuir la separación entre los dos cristales.

Se ha visto también que la fuerza repulsiva entre partículas disminuye aproximadamente en forma exponencial cuando la distancia entre ellas aumenta pero de nuevo el fenómeno está influido por la

(35)

como por la densidad superficial de carga en la partícula, por la constante dieléctrica del fluido y por la temperatura.

La fuerza repulsiva no es la única existente entre dos cristales próximos no es la única que actúa, las fuerzas atractivas como consecuencia del efecto Van der Waals. La fuerza neta actuante entre dos partículas de arcilla será la suma algebraica de las dos fuerzas opuestas mencionadas. Las fuerzas de Van der Waals son independientes de la naturaleza del medio que exista entre las partículas, por lo que, para un tipo dado de arcilla, la fuerza neta entre partículas vecinas puede hacerse variar añadiendo cantidades convenientes de electrolito en una suspensión. Naturalmente que en este caso, cambia únicamente el potencial repulsivo de las partículas permanecen separadas y si se depositan lo harán en forma de un sedimento relativamente denso.

2.2.3. Cal (Carbonato de Calcio)

Para la presente investigación se tomará el siguiente concepto. Según (National Lime Association, 2004), en el tratamiento de suelos se puede utilizar cal viva (óxido de calcio – CaO), cal hidratada (hidróxido de calcio – Ca[OH]₂) o lechada de cal.

La cal viva se produce de la transformación química del carbonato de calcio (piedra caliza – CaCO3) en óxido de calcio. La cal hidratada se obtiene cuando la cal viva reacciona químicamente con el agua. La cal hidratada (hidróxido de calcio) es la que reacciona con las partículas arcillosas y las transforma permanentemente en una fuerte matriz cementante.

La cal más utilizada para el tratamiento de suelos es la cal alta en calcio, que contiene un máximo de 5% de óxido o hidróxido de magnesio. Sin embargo, en algunas ocasiones se utiliza cal dolomítica. La cal dolomítica contiene de 35 a 46% de óxido o hidróxido de magnesio. Con la cal dolomítica se puede lograr la estabilización, aunque la fracción de magnesio reacciona más lentamente que la fracción de calcio.

Algunas veces el término “cal” se utiliza para referirse a la cal agrícola que, por lo general, es piedra caliza finamente molida, un útil correctivo agrícola que no tiene la suficiente reactividad química para lograr la estabilización del suelo.

(36)

2.2.3.1. Tipos de Cal, Ventaja y Desventajas.

Según (National Lime Association, 2004) estos son los tipos de cal con sus respectivas ventajas y desventajas:

Tabla 5 – Tipos de cal ventajas y desventajas

Tipo Ventajas Desventajas

Cal hidratada

en polvo

Puede ser aplicada más

rápidamente que la lechada. Utilizada para secar arcillas, pero no es tan eficaz como la cal viva.

Las partículas finas en polvo puede ser un problema y generalmente es inadecuado en áreas pobladas.

Cal viva en seco

Más económica porque es más concentrada que la cal hidratada, conteniendo de 20 a 24 por ciento

más de óxido de calcio

"disponible". Debido a su mayor densidad requiere de menos instalaciones de almacenaje. El tiempo de ejecución puede ampliarse debido a que la reacción exotérmica causada por el agua y la cal viva puede calentar el suelo. La cal viva seca es excelente para secar suelos mojados. Tamaños de partícula más grandes pueden reducir la generación de polvo.

Requiere 32 % de su peso en agua para convertirse en cal hidratada y puede haber pérdida adicional por la evaporación significativa debido al calor de hidratación. Puede requerir más mezcla que la cal hidratada seca o que las lechadas de cal, porque las partículas de cal viva, que son más grandes, primero deben reaccionar con el agua para formar la cal hidratada y luego debe ser mezclada con el suelo.

Lechada de cal

Aplicación libre de polvo. Es más fácil lograr la distribución. Se aprovecha la aplicación por rociado. Se requiere menos agua adicional para la mezcla final.

Velocidad lenta de aplicación. Costos más altos debido al equipo extra requerido. Puede no ser práctico en suelos muy mojados. No es práctico para secar.

(37)

2.2.4. Fibras Sintéticas.

Como lo indican (Fernandez Calvo, Martínez Santamaría, & Thode Mayoral, 2007), las fibras pueden ser de origen natural o de origen artificial o sintético. Las fibras naturales de origen animal y vegetal son biodegradables y se usan sólo en los casos que se requiera dicha cualidad.

Las fibras naturales minerales (amianto, asbesto) tienen diferentes usos industriales que hoy tienen prohibido su uso por ser cancerígenas. Otras fibras derivadas de metales (alambres) no se usan para refuerzo. Algunas como las de vidrio, podrían usarse pero son muy quebradizas y tienen una superficie muy lisa, por lo que su uso se restringe también a aplicaciones especiales.

En cuanto a fibras sintéticas, sería muy largo enumerarlas todas, por lo que se va a mencionar las más usadas en el mercado, las de mayor producción. Estas fibras son:

 Poliacrilonitrilo PAN (estándar y alta tenacidad.)  Poliamidas (Varios tipos de poliamida.)

 Poliéster PES (estándar y alta tenacidad.)  Polietileno PE (Varios tipos.)

 Polipropileno PP (atáctico, isotáctico: estándar o alta tenacidad.)

Todas ellas, además, pueden tener tratamientos antibacterias y antimoho, así como otras características diferenciadas tanto físicas como químicas.

Cabe mencionar también que, dado que la investigación no cesa, todos los años salen nuevas fibras, o nuevas familias de polímeros o nuevos tratamientos o modificaciones, por lo que la lista que se encuentra en este artículo se debe considerar como orientativa a día de hoy y naturalmente variará en el futuro.

2.2.4.1. Propiedades de las Fibras.

2.2.4.1.1. Propiedades Mecánicas y Características Físicas. Como lo indican (Fernandez Calvo, Martínez Santamaría, & Thode Mayoral, 2007) las propiedades a mencionar son:

(38)

 Tenacidad (N/tex). Deben tener una tenacidad suficiente y siempre

mayor que el esfuerzo que deben soportar.

 Alargamiento (%). Para una misma tenacidad, cuanto menos

alargamiento mejor, o lo que es lo mismo, a mayor módulo de elasticidad (N/tex), mejor es la fibra para refuerzo.

 Densidad o peso específico de la fibra (g/cm3). Cuanto menor sea,

mayor será la superficie de fibra para un mismo peso dado.

 Diámetro (µm). Cuanto menor sea el diámetro mayor será la

superficie específica para un mismo peso.

 Título (dtex). Peso en gramos de 10.000 m lineales de fibra o

filamento.

 Forma. Debido a las características de cada polímero y a la forma de

obtención de las fibras y los dispositivos empleados, las fibras pueden tener diferentes formas:

Figura 6 - Forma de las Fibras Sintéticas.

Fuente: (Fernandez Calvo, Martínez Santamaría, & Thode Mayoral, 2007)

 Superficie (mm2/m). También en función del polímero y de su forma

de obtención, la superficie puede ser lisa o rugosa, con lo cual la superficie específica será superior en este segundo caso y por tanto mayor el rozamiento con otros materiales.

 Resistencia a la compresión. Es la fuerza de rotura en relación con la

sección en un ensayo de compresión.

 Módulo de cizallamiento. Es el módulo de elasticidad medido en un

ensayo de torsión.

 Rizado (ondas/cm y amplitud de las ondas). Las fibras sin rizado no

“enlazan” entre ellas. Las fibras con rizado pueden quedar retenidas unas con otras.

(39)

2.2.4.1.2. Propiedades químicas y medioambientales.

Según (Fernandez Calvo, Martínez Santamaría, & Thode Mayoral, 2007) las propiedades a mencionar son:

 Resistencia a los ácidos.  Resistencia a los álcalis.  Resistencia a los disolventes.

 Resistencia a los rayos UV y a la intemperie.  Resistencia a los microorganismos.

 Tasa de humedad.  Biodegradabilidad.

2.2.4.2. Uso General de las Fibras Sintéticas.

Las fibras sintéticas que son específicamente diseñadas para el concreto se fabrican a partir de materiales sintéticos que pueden resistir el medio alcalino del concreto a largo plazo. Las fibras sintéticas son añadidas al concreto antes o durante la operación de mezclado. El uso de proporciones típicas no requiere de ningún cambio en el diseño de la mezcla. (NRMCA).

2.2.4.3. Elección de Fibras Adecuadas Para Cada Aplicación. Como lo mencionan (Fernandez Calvo, Martínez Santamaría, & Thode Mayoral, 2007). El factor o característica dominante a la que, al final, se debe remitir la selección es el coste final de la fibra en la proporción adecuada para cumplir con unas especificaciones o expectativas dadas. Si lo que se quiere es que la superficie específica de la fibra sea elevada, pues su misión ofrecer resistencia al deslizamiento, se elegirá una fibra de pequeño diámetro y a ser posible de sección no circular y rugosa para ofrecer una mayor superficie por unidad de peso.

Si lo que se pretende es que sea biodegradable, se usarán fibras naturales animales o vegetales o sintéticas con diferentes componentes químicos que hagan descomponer a la fibra a lo largo de un cierto tiempo, ya sea por sí solas o en contacto con ciertas sustancias o con ciertos medios.

(40)

Si estas fibras deben estar en contacto con microorganismos, ácidos o álcalis, productos oxidantes, etc., se deberá revisar su comportamiento frente a estas sustancias.

Todas estas premisas o pre-elecciones de fibras deben estar contrastadas por su coste y su facilidad de obtención en el mercado.

Como se ha dicho, existen unas fibras que, por su proceso de obtención (por ejemplo, haberlas pigmentado y no haber logrado el color deseado) no son aptas para lo que fueron fabricadas, pero siguen siendo vírgenes para otras funciones: refuerzo de tierras, de hormigones, asfaltos, fabricación de Geotextiles, etc.

En el caso de seleccionar una fibra para que sujete o arme tierras, cemento o asfalto, además de la compatibilidad o resistencia a los diferentes agentes que pueden atacarla o perjudicarla, t iene que tener una buena superficie específica y una tenacidad suficiente, o dicho de otro modo, tener un módulo adecuado, facilidad en encontrar cantidades suficientes en el mercado y precios o costes asequibles.

Cuando se dice que una tenacidad o módulo de elasticidad es adecuada, lo que se quiere decir es que las fibras deben ser más tenaces que los materiales que deben armar. No es necesario que sean mucho más tenaces, ya que sólo se aprovecha la tenacidad compatible con el rozamiento, es decir, a mayor rozamiento mayor será la tenacidad necesaria para que las fibras no se rompan ni que el material se disgregue.

La gran mayoría de fibras sintéticas tiene suficiente tenacidad para cumplir con los requisitos necesarios para su uso en refuerzo, incluso las fibras reprocesadas, si es que no se han degradado mucho al procesarlas una o más veces, suelen tener la tenacidad suficiente para la mayoría de aplicaciones.

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2.2.4.4. Fibras para el Refuerzo de Tierras.

Como lo mencionan (Fernandez Calvo, Martínez Santamaría, & Thode Mayoral, 2007), se deben elegir las fibras en función de sus características técnicas y también en función de su facilidad de servicio y su coste.

Hoy por hoy, las fibras sintéticas de mayor producción en el mercado, las más utilizadas y también las de menor coste (posiblemente por ser las que se producen a mayor escala) son PAN, PA 6.6, PA 6, PES, PE, PP.

Tabla 6 - Características Representativas de fibras

Fibra P.E. Tenacidad A.Rot Forma Resistencia a

g/cm3 _N/tex _% _Secc. _{Ácidos Álcalis} _UV _Microorg.

Poliacrilonitrilo PAN 1.17 0,2 -0,4 17 -45 Riñón +++ ++ ++++ ++++ Poliamida 6 PA6 1.12 0,4 -0,57 18 -30 Circular ++ ++ ++ +++ Poliamida 6.6 PA66 1.14 0,4 -0,44 15 -42 Circular + +++ + ++ Poliéster PES 1.38 0,37 -0,50 13 -40 Circular +++ ++ +++ +++ Polietileno PE 0,95 0,5 18 -30 Circular ++++ ++++ ++ ++++ Polipropileno PP 0,91 0,4 20 -25 Circular ++++ ++++ + ++++

“dtex”: Aareviatura de "decitex". Esta medida indica el peso, en gramos, de 10.000 metros de hilo. Es decir, que 10.000 metros de un hilo de 22 decitex pesan 22 gramos.

Desde el punto de vista de la fabricación, aunque todas ellas pueden, en teoría, fabricarse a diámetros muy pequeños, en la práctica r esulta que, por ejemplo, las fibras PE y PP no se fabrican a menos de 3 dtex mientras que las demás se fabrican normalmente hasta 1,5 dtex. Por todo ello, se

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muestra la Tabla anterior con las características representativas de estas fibras para estos usos.

En principio, todas ellas deben ser válidas para el refuerzo de suelos, pero para hallar una relación entre diámetro y superficie específica, se muestra la siguiente tabla:

Tabla 7 - Relación entre Diámetro y Superficie Específica de las Fibras Sintéticas

Fibra _{Φ Superficie}1,65 dtex _{Φ Superficie}3,3 dtex _Φ 6,6 dtex_Superficie

µm m2_/Kg _µm _m2_/Kg _µm _m2_/Kg Poliacrilonitrilo 12 300.00 19 200.00 26 150.00 Poliamida 6 13 290.00 20 176.00 27 131.00 Poliamida 6.6 13 270.00 20 177.00 27 131.00 Poliéster 11 260.00 17 170.00 25 116.00 Polietileno 14 300.00 21 200.00 29 145.00 Polipropileno 15 290.00 22 199.00 30 146.00

Como puede observarse, la superficie específica es muy similar de una fibra a otra y, realmente, la diferencia está más en el diámetro o finura que en la clase de polímero.

Otra cosa a contemplar puede ser la posible compatibilidad e incompatibilidad de las fibras con el medio a reforzar por el hecho de que algunas (PAN) son susceptibles de hacer ciertas uniones físico-químicas mientras que otras como el PP, PE y PES no tienen tantas posibilidades.

También, desde el punto de vista de “manejabilidad” o práctica de uso, las fibras como el polipropileno son mucho más “volátiles” que las demás, lo cual requiere ciertos cuidados cuando hay que colocarlas con viento.

En cuanto a la longitud de las fibras se puede admitir que fibras cortas y largas sirven para refuerzo y que las muy cortas sólo para refuerzo, mientras que las largas pueden ejercer también funciones de retención