COMPARACIÓN DE LOS EFECTOS DE DIFERENTES MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE SUBRASANTES EN ARCILLAS BOGOTANAS
Por:
Ximena Alexandra García Castillo
Asesor: Silvia Caro Spinel
Presentado como requisito para optar al título de INGENIERA CIVIL
Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Tabla de contenido
1. INTRODUCCIÓN ... 8
1.1. Motivación ... 8
1.2. Antecedentes ... 8
1.3. Objetivos ... 10
1.3.1. General ... 10
1.3.2. Específicos ... 10
1.3.3. Metodología General ... 10
2. PRODUCTOS UTILIZADOS EN EL PROYECTO ... 11
2.1. Cal ... 11
2.2 Terrasil (producto a base de nanotecnología) ... 11
2.3 TX-85 (Polímero) ... 12
3. CARACTERIZACIÓN DEL SUELO ... 12
3.1 Humedad... 12
3.2 Límites de Atterberg ... 12
3.2.1. Límite Líquido ... 12
3.2.2. Límite Plástico ... 13
3.2.3. Índice de Plasticidad ... 14
3.3. Peso Unitario ... 14
3.4. Azul de Metileno ... 14
... ¡Error! Marcador no definido. ... ¡Error! Marcador no definido. ... ¡Error! Marcador no definido. 3.5. Conclusión general del tipo de suelo ... 15
4. ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN DEL SUELO ESTABILIZADO ... 15
4.1 Marco Teórico ... 15
4.1.1 Módulo Resiliente ... 15
4.1.2 CBR ... 16
4.2 Resultados ... 17
4.2.1 Módulo Resiliente ... 17
4.2.1.2 Suelo Estabilizado con Cal ... 18
4.2.1.3 Suelo Estabilizado con Terrasil ... 20
4.2.1.4 Suelo Estabilizado con TX-85 ... 22
4.2.1.5 Comparación de los Resultados de Módulo Resiliente ... 24
4.2.2 CBR ... 24
4.2.2.1 Humedad de Compactación ... 24
4.2.2.2 Densidad Seca ... 25
4.2.2.3 Densidad Saturada ... 25
4.2.2.4 Expansión ... 26
4.2.2.5 Presión de Penetración ... 27
4.2.2.6 Valor de la Relación de Soporte CBR ... 29
4.2.3 RELACIÓN ENTRE CBR Y MÓDULO RESILIENTE ... 35
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 36
6 BIBLIOGRAFÍA ... 37
7 ANEXOS ... 38
7.1 Método de acción producto Terrasil (Optimasoil). ... 38
7.2 Determinación de la humedad de la Arcilla Bogotana ... 39
7.3 Resultados de Humedad para determinación del Límite Líquido de la Arcilla Bogotana ... 40
7.4 Resultados de Humedad para determinación del Límite Plástico de la Arcilla Bogotana ... 40
7.5 Expresión para la determinación del Índice de Plasticidad de la Arcilla Bogotana ... 40
7.6 Expresión para la determinación de la Cantidad de Azul de Metileno en la Arcilla Bogotana ... 41
7.7 Comportamiento de los Agregados teniendo en cuenta la Cantidad de Azul de Metileno. ... 41
7.8 Expresión para la determinación de la Densidad Seca del Suelo en el Ensayo de CBR ... 41
7.9 Expresión para la determinación de la Expansión del Suelo en el Ensayo de CBR 41 7.10 Expresión para la determinación de la Relación de Soporte (CBR) del Suelo en el Ensayo de CBR ... 42
7.12 Clasificación de Suelos según CBR. ... 43 7.13 Correlación para la Determinación del Módulo Resiliente a partir de un CBR <10%. 43
7.14 Correlación para la Determinación del Módulo Resiliente a partir de un CBR <20%. 43
Contenido de Tablas
Tabla 1. Datos tomados durante el ensayo de peso unitario ... 14
Tabla 2. Resultados de módulo resiliente para muestra de suelo inalterado. ... 17
Tabla 3. Resultados de Módulo Resiliente para muestra de suelo estabilizado con cal. ... 18
Tabla 4. Resultados de Módulo resiliente para la muestra de suelo estabilizada con Terrasil. ... 21
Tabla 5. Resultados de Módulo resiliente para la muestra de suelo estabilizada con TX-85. ... 22
Tabla 6. Resultados de Densidad seca para las muestras de CBR. ... 25
Tabla 7. Resultados de Humedad para las muestras de CBR. ... 26
Tabla 8. Resultados de Densidad Saturada para las muestras de CBR. ... 26
Tabla 9. Resultados de Expansión para las muestras de CBR. ... 27
Tabla 10. Resultados de CBR para la muestra de suelo inalterado... 30
Tabla 11. Resultados de CBR para la muestra de suelo estabilizado con cal. ... 31
Tabla 12. Resultados de CBR para la muestra de suelo estabilizado con Terrasil. ... 32
Tabla 13. Resultados de CBR para la muestra de suelo estabilizado con TX-85. ... 34
Tabla 14. Resultados de CBR para cada muestra elaborada. ... 34
Tabla 15. Valores de módulo resiliente utilizando la correlación para valores de CBR<10% ... 35
Contenido de Figuras
Figura 1. Relación entre la humedad y la energía de compactación (No. De golpes) para la
determinación del límite líquido de la muestra de suelo. ... 13 Figura 2. Peso sumergido de la muestra de suelo cubierta de parafina para la determinación del Peso Unitario. ... 14 Figura 3. Comportamiento del módulo resiliente respecto al esfuerzo desviador registrado en una muestra de suelo inalterado. ... 18 Figura 4. Comportamiento de módulo resiliente frente a los valores de esfuerzo desviador
registrado en la muestra de suelo estabilizado con cal. ... 20 Figura 5. Comportamiento de módulo resiliente frente a los valores de esfuerzo desviador
registrado en la muestra de suelo estabilizado con Terrasil... 22 Figura 6. Comportamiento de módulo resiliente frente a los valores de esfuerzo desviador
registrado en la muestra de suelo estabilizado con TX-85. ... 23 Figura 7. Módulo resiliente de las muestras ensayadas a una presión de confinamiento de 0,42 Kg/cm2 ... 24 Figura 8. Comportamiento del peso unitario frente a diferentes humedades de compactación en el ensayo de proctor. ... 25 Figura 9. Comportamiento de la presión respecto a la penetración para la muestra de suelo
inalterado. ... 27 Figura 10. Comportamiento de la presión respecto a la penetración para la muestra de suelo estabilizado con cal. ... 27 Figura 11. Comportamiento de la presión respecto a la penetración para la muestra de suelo estabilizado con terrasil. ... 28 Figura 12. Comportamiento de la presión respecto a la penetración para la muestra de suelo estabilizado con TX-85. ... 28 Figura 13. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo inalterado compactado con 10 golpes... 29 Figura 14. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo inalterado compactado con 26 golpes... 29 Figura 15. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo inalterado compactado con 26 golpes... 29 Figura 16. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con cal compactado con 10 golpes. ... 30 Figura 17. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con cal compactado con 26 golpes. ... 30 Figura 18. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con cal compactado con 56 golpes. ... 31 Figura 19. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con Terrasil compactado con 10 golpes. ... 31 Figura 20. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con Terrasil compactado con 26 golpes. ... 31 Figura 21. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con Terrasil compactado con 56 golpes. ... 32
Figura 22. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con TX-85 compactado con 10 golpes. ... 33 Figura 23. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con TX-85 compactado con 26golpes. ... 33 Figura 24. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con TX-85 compactado con 56 golpes. ... 33 Figura 25. Comportamiento de los valores de CBR respecto a la densidad de cada muestra. ... 34
1. INTRODUCCIÓN
1.1.
Motivación
Desde siglos atrás, la ingeniería de infraestructura vial tiene gran importancia debido a su relación con el desarrollo económico de las sociedades. La comunicación entre centros urbanos se vuelve necesaria para el crecimiento de la economía de un país. En este contexto, la estabilización de los suelos de subrasantes sobre los que se construyen las estructuras de pavimento surge a partir de la necesidad de volver más resistentes aquellos suelos no aptos para soportar las cargas generadas por el tráfico generado a partir de la necesidad del transporte. Desde entonces, se han desarrollado métodos de estabilización de tipo mecánico, químico, eléctrico, entre otros que permiten cambiar las propiedades de los suelos haciéndolos aptos para la construcción de ingeniería de calidad (Montejo, 2006).
Los suelos de la ciudad de Bogotá se caracterizan por tener propiedades no aptas para la resistencia a altas cargas debido a que se encuentran constituidos principalmente por arcillas blandas (INGEOMINAS et al., 1997); por lo que requieren tratamientos y cimentaciones especiales para que se pueda construir sobre ellos. Con el fin de valorar el impacto de nuevas técnicas de estabilización en los estos suelos, este proyecto de grado incluye la realización de ensayos de laboratorio que permitan determinar el impacto que tienen algunos métodos de estabilización.
1.2.
Antecedentes
Los enfoques científicos en el comportamiento y uso del suelo en materia de construcción comenzaron muchos años atrás, trayendo consigo desarrollos de técnicas de estabilización exitosas desde el principio del siglo XX (Peñuela, 2002).
Dentro de los métodos tradicionales de estabilización de suelos de subrasantes, se encuentran procesos mecánicos, químicos, eléctricos, térmicos y de drenaje. Los procesos mecánicos consisten principalmente en la sustitución del suelo, por uno con una granulometría o características físicas que permitan el cumplimiento de la capacidad portante requerida (Peñuela, 2002). Los métodos químicos son aquellos que mediante reacciones químicas cambian las características originales del suelo, mejorando el comportamiento del mismo. Dentro de los tradicionales se encuentra el uso de cal y de cemento que producen, entre otras cosas, el aumento de la capacidad portante del suelo. Los métodos eléctricos y térmicos tienen como objetivo principal aumentar la temperatura de las arcillas de tal manera que se reduzca significativamente el potencial de variación de volumen. Existen otros métodos eléctricos que producen cambios en las partículas del suelo, haciendo que a través de reacciones se aumente la densidad, resistencia y capacidad portante del mismo (Escuela Politécnica del Ejército, 2008), dentro de este tipo se encuentra el aceite sulfonado que permite convertir el agua adherida a las partículas en agua libre para ser drenada.
La cantidad de agua dentro del suelo es otro de los factores que dificulta el trabajo con el mismo; dentro de las técnicas de estabilización se encuentra la construcción de estructuras que permiten drenar el agua contenida por el suelo a fin de mejorar sus características mecánicas.
Otro tipo de productos utilizados para la estabilización de suelos son los geosintéticos. Los geosintéticos son materiales que se fabrican a partir de varios tipos de polímeros y que aportan propiedades de resistencia y reducción de humedad a los suelos. Dentro de este tipo se encuentran las geomallas que cumplen la función de rigidizar y aumentar resistencia. Por otro lado, se encuentran los geotextiles, que además de aportar resistencia, funciona como filtro de humedad (Escuela Politécnica del Ejército, 2008).
En cuanto al tema de productos innovadores, se destacan los siguientes:
1. Emulsiones enzimáticas: Las emulsiones enzimáticas, como su nombre lo indica, contienen enzimas que reaccionan con las moléculas del suelo para formar un enlace de cementación que estabiliza la estructura del suelo y reduce la permeabilidad del mismo (Lim et al., 2014)
2. Ceniza de cáscara de arroz: La ceniza de cáscara de arroz es uno de los residuos de mayor preocupación hoy en día. Estudios han demostrado que funciona como estabilizante de suelos arcillosos, ya que su uso en ellos permite el aumento del CBR en ellos (Lim et al., 2014).
3. Puzolana: La puzolana, material síliceo de origen volcánico, se utiliza como método de estabilización en suelos dispersivos, susceptibles a la erosión. Su efecto trae consigo la reducción en el potencial de dispersión del mismo, disminución en el índice de plasticidad, aumento de la resistencia a la compresión no confinada y aumento de la conductividad eléctrica (A.H. Vakili et al., 2012).
4. Residuos Plásticos: Estudios realizados demuestran que el uso de residuos plásticos en la estabilización de suelos, permite la reducción del índice de expansión del suelo, propiedad importante en los suelos arcillosos (C. Okoro et al., 2011).
5. Lodos de Papel Calcinados: Los lodos de papel confinados es un método de estabilización que permite el aumento de la resistencia a la compresión no confinada de los suelos a través de los efectos de aumento de densidad y disminución de deflexiones de acuerdo a la compactación realizada (Amaia Lisbona et al., 2012).
En este trabajo se analizarán productos químicos a base de nanotecnologías y polímeros, a continuación se muestran algunos métodos utilizados relacionados con el tema:
1. Terrazyme: El producto Terrazyme es un agente activo de superficie iónica que cambia la naturaleza hidrófila de los suelos. De igual manera ayuda a la lubricación de las partículas del suelo aumentando la compatibilidad con muchos otros materiales. Por ser un agente reductor de la capacidad de absorción de agua, reduce las características de los suelos. En las arcillas funciona muy bien, teniendo en cuenta sus características hidrófilas (Lim et al., 2014).
lignosulfonatos tienen propiedades que los hacen higroscópicos que permite conservar la humedad requerida por los suelos (Lim et al., 2014).
3. Endurazyme: El endurazyme es un intercambiador iónico que mejora las características de los suelos arcillosos. Es un producto multienzimático que mejora significativamente la estabilidad del suelo en la construcción de vías. Este material reduce la permeabilidad, y aumenta la capacidad portante del suelo (Lim et al., 2014).
4. Renolith: Renolith es un polímero amigable con el medio ambiente debido a sus características químicas. Funciona como agente cementante en suelos arenosos, aumentando el módulo de elasticidad de los mismos (Lim et al., 2014).
5. Con-Aid: Es un compuesto aniónico soluble en agua con propiedades tensioactivas. Funciona para cualquier tipo de suelo que cumpla con un índice de plasticidad mayor a 11 y un contenido de arcilla mayor o igual al 15% (Lim et al., 2014).
6. Nano-Clay: Es un producto que se utiliza como estabilizador de suelos arcillosos o limosos. Su función es modificar los suelos compuestos por motmorillonita, cambiando las propiedades químicas de la misma (Meisam Bahari et al., 2013).
7. Emulsiones Poliméricas: Se ha demostrado que combinando diferentes tipos de emulsiones poliméricas es posible lograr una estabilización óptima del suelo, aumentando evidentemente la resistencia a la presión no confinada (Newman & Tingle, 2004).
1.3.
Objetivos
1.3.1.
General
El objetivo general del proyecto es desarrollar un análisis experimental del impacto que tienen métodos nuevos de estabilización de subrasante (i.e., nanotecnología y polímero) en las arcillas bogotanas, y compararlos con el impacto de un método tradicional utilizado en arcillas (i.e., cal).
1.3.2.
Específicos
Determinar de manera experimental los valores de módulo resiliente y de relación de soporte en muestras de suelo inalterado y estabilizado con los métodos mencionados.
Determinar en qué casos se puede usar cada uno de los métodos conforme a los resultados experimentales obtenidos.
1.3.3.
Metodología General
Con el fin de cumplir los objetivos previamente establecidos, se presenta la siguiente metodología:
1. Selección y ejecución de los ensayos: Se realizarán ensayos de CBR (Relación de Soporte de California) y de módulo resiliente (MR) con el fin de determinar la resistencia del suelo antes y después de ser estabilizado.
2. Análisis de Resultados: A partir de los resultados se busca evaluar la teoría existente que relaciona los valores de módulo resiliente y de CBR. De igual manera, se evaluará el comportamiento del suelo después de que sean estabilizados.
3. Comparación de Resultados: Una vez obtenidos los resultados, se realizará una comparación de la eficiencia de cada método con respecto a los demás. De esta manera se determinará en qué casos es posible hacer uso de cada método y cuál de ellos se comporta mejor en un suelo bogotano.
2. PRODUCTOS UTILIZADOS EN EL PROYECTO
2.1.
Cal
La cal es un compuesto derivado del calcio que se utiliza comúnmente en la estabilización de suelos. Para el tratamiento de estos es posible utilizar cal viva (óxido de calcio –CaO) o cal hidratada (Hidróxido de Calcio, ). La cal viva se produce a partir de la transformación química del carbonato de calcio (Piedra caliza con óxido de Calcio); y la cal hidratada se obtiene cuando la cal viva reacciona con el agua (Nacional Lime Association, 2004)
De acuerdo con el Manual de Estabilización de Suelo Tratado con Cal (Nacional Lime Association, 2004), para suelos de subrasante arcillosos se utiliza entre el 3 y 6% del suelo seco para la estabilización del mismo. En este documento se mostrarán los resultados para un porcentaje correspondiente al 3% de cal hidratada.
2.2
Terrasil (producto a base de nanotecnología)
Es un producto desarrollado a partir de organosilanos capaces de reaccionar con los silicatos presentes en el suelo y cambiar las propiedades naturales del mismo. De acuerdo con el productor, este es un agente impermeabilizante que aporta las siguientes ventajas:
El suelo se convierte en hidrófobo de forma permanente.
El suelo mantiene la transpiración expulsando el agua en forma de vapor.
Reduce el índice de plasticidad de los suelos.
En el anexo 1 se muestra el modo de acción del producto (Optimasoil, 2015). Para fines de este documento y de acuerdo a lo recomendado por Optimasoil, se utilizará 0,5 Kg del producto por cada metro cúbico de suelo y un 1% de cemento portland.
2.3
TX-85 (Polímero)
El polímero TX-85 es un producto desarrollado en Johor Malasya que es 100 % orgánico y generado a partir de la combinación de azufre orgánico y ácidos de efecto sellador. Su efecto con los suelos consiste en producir una acción estabilizante y endurecedora, mejorando la capacidad portante de los mismos (Alvarez, 2015).
De acuerdo con las especificaciones del producto y para efectos de este documento, se utilizará una dosis de 2,1 L por cada metro cúbico de suelo, un 2% de cal viva y un 2% de cemento portland.
3. CARACTERIZACIÓN DEL SUELO
El suelo con el cual se realizaron los ensayos referentes a estabilización, pertenece a la calle 116 con autopista norte de la ciudad de Bogotá. Los suelos de esa zona se caracterizan por ser altamente arcillosos.
Para conocer el valor de las propiedades más importantes del suelo, y así mismo inferir un posible comportamiento del mismo frente a la alteración de sus propiedades con productos estabilizantes, se elaboraron ensayos de humedad, límites de Atterberg, peso unitario y azul de metileno. Los resultados para estos ensayos se muestras a continuación:
3.1
Humedad
El ensayo de humedad se realizó bajo la norma I.NV.E-122 titulada Determinación en laboratorio del contenido de agua (Humedad) de muestras de suelo, roca y mezclas de suelo-agregado del Instituto Nacional de Vías (INVIAS, norma INVE-122).
En esta norma se describe el procedimiento que se debe seguir, el cual se resume en ubicar pequeñas muestras del suelo en diferentes recipientes y pesarlas, una vez pesadas, se procede a secar el suelo mediante un horno previamente especificado. Las muestras deben estar secando por alrededor de 16 horas. Las muestras vuelven a pesarse una vez están secas. La humedad entonces se determina como la razón entre el peso del agua y el peso del suelo seco (Anexo 2).
En promedio la humedad del suelo corresponde a 61,95%, lo que quiere decir que el suelo presenta un contenido de agua mayor al contenido de partículas sólidas.
3.2
Límites de Atterberg
3.2.1.
Límite Líquido
El límite líquido se define como la cantidad de humedad en la cual el suelo deja de estar en un estado plástico y se convierte en un líquido con la presencia de agua. Se expresa en términos de porcentaje de humedad. Para la determinación de este valor, se siguió el procedimiento especificado en la norma INVE-125 titulada Determinación del límite líquido de los suelos del INVIAS. Para el desarrollo de este ensayo se requiere la cazuela de Casagrande, en la cual se esparce una porción de la muestra y se divide en dos partes con un ranurador. Estas dos partes fluyen debido
a los golpes recibidos como consecuencia de la caída repetida de la cazuela sobre una base normalizada. Para este caso se repite el procedimiento 3 veces y se calcula el límite de acuerdo a la tendencia de la humedad y el número de golpes necesario para hacer fluir las dos partes de muestra. Los resultados detallados del ensayo se encuentran en el Anexo 3.
La humedad para cada muestra se obtuvo siguiendo el procedimiento correspondiente al ensayo de humedad a partir de la norma I.N.V.E-122. El resultado obtenido se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Relación entre la humedad y la energía de compactación (No. De golpes) para la determinación del límite líquido de la muestra de suelo.
El límite líquido corresponde al valor de humedad para 25 golpes. Para este caso éste límite se encuentra al 79,57% de humedad.
3.2.2.
Límite Plástico
El límite plástico corresponde a la humedad a la cual el suelo pasa de un estado semisólido a un estado plástico. El procedimiento se describe en la norma I.N.V.E-126 titulada Límite plástico e índice de plasticidad de los suelos del INVIAS.
El procedimiento de este ensayo consiste en presionar de manera repetida una porción de suelo húmedo con el fin de formar rollos de 3,2 mm de diámetro, de manera que se alcance el punto de humedad en el que se produce agrietamiento o desmoronamiento de los rollos. El límite plástico es la humedad más baja con la cual se pueden formar los rollos del suelo sin que se agrieten o desmoronen (INVIAS, 2013).
La humedad de estos rollitos se obtiene siguiendo el mismo procedimiento para determinar la humedad normal del suelo, estos resultados se pueden encontrar en el Anexo 4.
Para este caso el límite plástico se encuentra en un 20,4% de humedad. Es decir, que cuando el suelo alcanza esa humedad pasa de ser un sólido a convertirse en un material plástico.
50,00% 55,00% 60,00% 65,00% 70,00% 75,00% 80,00% 85,00% 90,00% 95,00%
5 50
Hu
m
eda
d
(%
)
3.2.3.
Índice de Plasticidad
El índice de plasticidad corresponde a un rango de humedad para el cual el suelo se comportará como un material plástico (INVIAS, 2013). Se calcula como la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico (Anexo 5).
Para este caso, el índice de plasticidad es de 59,17, lo que implica que el suelo presenta un rango de humedad de aproximadamente 60 valores discretos en los que se comporta como un plástico.
3.3.
Peso Unitario
El peso unitario se define como el peso del suelo por unidad de volumen. Para determinar este valor se utilizaron las especificaciones descritas en la norma ASTM D7263-09 titulada
Standard Test Methods for Laboratory Determination of Density (Unit Weight) of Soil Specimens. El ensayo consiste en tomar las medidas de masa de pequeña muestra del suelo inalterado y de la misma muestra cubierta con parafina. Es importante no permitir la formación de burbujas de aire cuando se esté cubriendo la muestra con parafina. Una vez la muestra esté seca, se procede a tomar su peso utilizando el principio de Arquímedes con ayuda de un Bécquer (Figura 2).
Figura 2. Peso sumergido de la muestra de suelo cubierta de parafina para la determinación del Peso Unitario.
A continuación, en la tabla 1, se muestran los datos obtenidos en medio del procedimiento. Tabla 1. Datos tomados durante el ensayo de peso unitario
Masa de la muestra de suelo (g) 56,22
Masa de la muestra cubierta con parafina (g) 62,58
Masa de la muestra sumergida (g) 21,38
Con estos datos se obtuvo un peso unitario de 1655,494 Kgf/m3.
3.4.
Azul de Metileno
La cantidad de azul de metileno se determina para estimar la cantidad de arcilla nociva en cualquier agregado.
Para determinar esta propiedad, se sigue el procedimiento a partir de la norma I.N.V.E-235 titulada Valor de Azul de Metileno en Agregados Finos del INVIAS. Éste consiste en agregar de
manera sucesiva pequeñas dosis de una solución de azul de metileno a una suspensión de la muestra de ensayo en agua. Una vez aplicada cada dosis se realiza una prueba de coloración sobre un papel filtro para detectar la presencia de colorante libre (halo azul alrededor) (INVIAS, 2013). En el momento que se detecta la presencia de colorante libre, se toma el dato de la cantidad de ml agregados a la muestra.
Para este caso se agregaron 19 ml para lograr observar la presencia de colorante libre. La cantidad de azul de metileno se calcula como la razón entre el volumen total añadido de la solución de colorante y la masa de la muestra de ensayo, multiplicado por 10 (Anexo 6).
Para este caso el valor del volumen total añadido de la solución colorante es de 19 ml, y la masa de la muestra de ensayo corresponde a 2 g. El valor de azul de metileno corresponde a 95 mg/g, por lo que el suelo presenta un alto porcentaje de arcilla nociva no apta para la construcción; de acuerdo con la clasificación dada por el INVIAS (Anexo 7).
3.5.
Conclusión general del tipo de suelo
Con base en los resultados obtenidos de la caracterización básica del material, es posible concluir el suelo perteneciente a la autopista Norte con Calle 116 de la ciudad de Bogotá presenta características de una arcilla con altos límites de plasticidad, la cual parece no ser apropiado para resistir las cargas demandas en la construcción de pavimentos.
4.
ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN DEL SUELO
ESTABILIZADO
Especímenes fabricados con el suelo estabilizado con los diferentes materiales descritos previamente fueron sometidos a ensayos de módulo resiliente y CBR. La descripción de estos ensayos se muestra a continuación:
4.1
Marco Teórico
4.1.1
Módulo Resiliente
El módulo resiliente se define como la resistencia de un suelo a cargas cíclicas de diferente magnitud. El procedimiento se describe en la norma I.N.V.E 156 del INVIAS. Para determinar esta propiedad se aplica un esfuerzo axial cíclico repetido, de magnitud y duración fijas. Durante la aplicación del esfuerzo dinámico, se somete la muestra a un esfuerzo estático en su contorno. Se mide la deformación axial total recuperable y se calcula el módulo resiliente relacionando el esfuerzo axial desviador con la deformación unitaria axial resultante.
4.1.2
CBR
El ensayo de CBR determina un índice de resistencia de los suelos denominado relación de soporte de California. Éste se utiliza para evaluar la capacidad portante de los mismos mediante una comparación de la fuerza necesaria que se requiere para lograr un cierto nivel de penetración en una muestra de suelo compactada con respecto a la fuerza que se requiere para lograr la misma penetración en un suelo estandarizado californiano. El procedimiento se describe en las normas INVIAS E-148, NLT-111 y ASTM D-1888.
Este índice se obtiene con la condición de humedad crítica, es decir, cuando el suelo se encuentra totalmente saturado y sometido a la carga igual al peso del pavimento.
Para obtener de manera correcta el CBR se debe seguir los pasos descritos en la sección de procedimiento de la normativa. Como parte del proceso, es necesario realizar los siguientes cálculos de la muestra a ensayar:
Humedad de Compactación
Las muestras se deben compactar con la humedad óptima del suelo. Esta se calcula a través de un ensayo de proctor .
Densidad Seca
Se calcula a partir de la masa del suelo antes de que sea sumergido y el volumen que éste ocupa (Anexo 8).
Expansión
Se calcula como la diferencia de las deformaciones antes y después de la inmersión referida en porcentaje a la altura de la muestra (127 mm) (Anexo 9).
Presión de penetración
Muestra el comportamiento de los datos de presión y penetración obtenidos durante el ensayo.
CBR
Se refiere al valor de la relación entre presión que se requiere en el pistón para lograr una penetración en el suelo determinada (2,54 y 5,08 mm) con respecto a la presión equivalente que se requiere para alcanzar el mismo nivel de penetración en un suelo estandarizado. El valor se entrega en porcentaje (Anexo 10).
4.2
Resultados
4.2.1
Módulo Resiliente
4.2.1.1 Suelo Inalterado
La muestra para la realización del ensayo con el suelo inalterado se realizó a través de la técnica de tallado de muestra (I.N.V.E-153) con una altura de 20 cm y diámetro de 11,1 cm. La humedad inicial del suelo era de 55,4%; al final del ensayo tenía una humedad de 54,8% perdiendo así 0,12% durante el ensayo.
La tabla 2 muestra el comportamiento del módulo resiliente para la muestra de suelo inalterado. Se puede observar como la muestra no alcanzó a completar el primer ciclo de carga, lo que se traduce en que tiene una consistencia bastante blanda, no apta para soportar las cargas demandadas en la construcción.
Tabla 2. Resultados de módulo resiliente para muestra de suelo inalterado.
Presión de Confinamiento
(Kg/cm2)
Esfuerzo Desviador Teórico
(Kg/cm2)
Esfuerzo Desviador Registrado Promedio
(Kg/cm2)
Deformación Unitaria Promedio
(mm/mm)
Módulo Resiliente (Kg/cm2)
0,42
0,14 0,10 2,01E-04 473
0,28 0,22 9,25E-04 241
0,42 0,31 2,10E-03 147
0,56 0,00 0,00E+00
0,70 0,00 0,00E+00
A partir de los resultados obtenidos es posible hallar la tendencia de estos datos, para ello se grafican los valores de módulo resiliente con respecto al esfuerzo desviador registrad (Figura 3).
Figura 3. Comportamiento del módulo resiliente respecto al esfuerzo desviador registrado en una muestra de suelo inalterado.
En la figura anterior se puede observar como la tendencia del módulo resiliente frente al aumento del esfuerzo desviador es decreciente, lo que implica que a mayor carga aplicada, menor módulo de la muestra. Esto es coherente, teniendo en cuenta que el suelo es una arcilla con características que infieren una capacidad portante baja; es decir, que no resiste grandes aplicaciones de carga porque éstas rápidamente generar la falla en el especimen de prueba.
4.2.1.2 Suelo Estabilizado con Cal
Para la elaboración de la muestra estabilizada con cal, se utilizó el método de compactación por amasado (ASTM 2844). La altura de la misma es de 20 cm y el diámetro de 10 cm. La humedad inicial del suelo era de 5,6%; al final del ensayo tenía una humedad de 5,4% perdiendo así 0,2% durante el ensayo. Para este caso, es importante resaltar que la humedad es mucho más baja en comparación con la muestra de suelo inalterado.
A continuación, en la tabla 3, se muestra el comportamiento del módulo resiliente para la muestra estabilizada con 3% de cal. En ésta se puede observar como la muestra resistió todos los ciclos de carga. La celda que no presenta valor de módulo indica que para ese nivel de esfuerzo desviador la muestra no presentó ninguna deformación.
Tabla 3. Resultados de Módulo Resiliente para muestra de suelo estabilizado con cal.
Presión de Confinamiento
(Kg/cm2)
Esfuerzo Desviador Teórico (Kg/cm2)
Esfuerzo Desviador Registrado Promedio (Kg/cm2) Deformación Unitaria Promedio (mm/mm) Módulo Resiliente
(Kg/cm2)
0,42
0,14 ___ ___ ___
0,28 0,31 8,50E-05 3661
0,42 0,46 1,27E-04 3633
0,56 0.61 1,70E-04 3624
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
M ó du lo Res ili ente (K g/ cm 2)
Presión de Confinamiento
(Kg/cm2)
Esfuerzo Desviador Teórico (Kg/cm2)
Esfuerzo Desviador Registrado Promedio (Kg/cm2)
Deformación Unitaria Promedio
(mm/mm)
Módulo Resiliente
(Kg/cm2)
0,7 0,76 2,15E-04 3555
0,28
0,14 ___ ___ ___
0,28 0,32 9,29E-05 3431
0,42 0,47 1,42E-04 3269
0,56 0,62 1,85E-04 3342
0,7 0,76 2,21E-04 3451
0,14
0,14 ___ ___ ___
0,28 0,32 9,28E-05 3480
0,42 0,47 1,47E-04 3233
0,56 0,63 1,92E-04 3261
0,7 0,77 2,28E-04 3375
La deformación unitaria máxima para esta muestra corresponde a 2,28E-04 mm, registrada cuando el valor del módulo corresponde a 3375 Kg/cm2. Estos resultados representan una mejora en la resistencia de la muestra comparando con los resultados de la muestra de suelo inalterado.
La Figura 4 muestra la relación entre el módulo resiliente y el esfuerzo desviador para cada presión de confinamiento. En ella se puede observar como la tendencia del módulo es decreciente para el primer nivel de esfuerzo desviador; lo que indica la máxima resistencia en estado inicial del suelo. Para los otros valores de esfuerzo, la tendencia evidencia un mínimo local; dando mayor valor de módulo cuando el valor de esfuerzo desviador aplicado es más alto. Este comportamiento resulta extraño en cuanto a la teoría del módulo resiliente.
Figura 4. Comportamiento de módulo resiliente frente a los valores de esfuerzo desviador registrado en la muestra de suelo estabilizado con cal.
Por otro lado, comparando el comportamiento de cada presión de cámara, se puede observar como la tendencia para la presión de cámara equivalente a 0,42 Kg/cm2 presenta los valores más altos de módulo. Esto se debe a que es la primera presión ejercida en la muestra. Los valores de módulo para las presiones de 0,28 y 0,14 Kg/cm2 son sin embargo similares a los de la presión de 0,42; por lo que se evidencia una consistencia en la muestra.
4.2.1.3 Suelo Estabilizado con Terrasil
Para la elaboración de esta muestra se utilizó también el método de compactación por amasado. La altura de la misma es de 20 cm y el diámetro de 10 cm. La humedad inicial del suelo era de 5,7%; al final del ensayo tenía una humedad de 5,6% perdiendo así 0,1% durante el ensayo. La humedad en este caso es también menor que la humedad de la muestra inalterado y similar a la muestra de suelo estabilizado con cal.
En la tabla 4 se muestra los resultados del módulo resiliente para la muestra estabilizada con Terrasil. En ésta se puede observar como la muestra resistió todos los ciclos de carga. Cada primer ciclo (de los últimos cinco ciclos registrados) de cada presión de confinamiento, no presenta valor de módulo, teniendo en cuenta que la muestra no se deformó.
3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
M
ó
du
lo
Res
ili
ente
(K
g/
cm
2)
Esfuerzo Desviador (Kg/cm2)
0,42 0,28 0,14
Tabla 4. Resultados de Módulo resiliente para la muestra de suelo estabilizada con Terrasil.
Presión de Confinamiento
(Kg/cm2)
Esfuerzo Desviador Teórico
(Kg/cm2)
Esfuerzo Desviador Registrado Promedio (Kg/cm2)
Deformación Unitaria Promedio
(mm/mm)
Módulo Resiliente
(Kg/cm2)
0,42
0,14 ___ ___ ___
0,28 0,31 6,15E-05 5018
0,42 0,48 1,06E-04 4509
0,56 0,63 1,49E-04 4233
0,7 0,78 1,87E-04 4174
0,28
0,14 ___ ___ ___
0,28 0,33 7,84E-05 4215
0,42 0,48 1,26E-04 3812
0,56 0,63 1,71E-04 3708
0,7 0,78 2,10E-04 3716
0,14
0,14 ___ ___ ___
0,28 0,33 8,83E-05 3792
0,42 0,48 1,39E-04 3472
0,56 0,63 1,86E-04 3392
0,7 0,78 2,30E-04 3395
En este caso, la deformación máxima de la muestra corresponde a 2,30E-04 con un valor de módulo resiliente de 3395 Kg/cm2 a un nivel de esfuerzo desviador del 0,14 kg/cm2; mostrando una ligera mejora en la resistencia frente a la muestra estabilizada con cal.
En la figura 5 se muestra el comportamiento del módulo resiliente con respecto a los valores de esfuerzo desviador registrados. Se puede observar como la tendencia también es decreciente; sin embargo, los valores son más altos a los mostrados en la muestra estabilizada con cal; por lo que se infiere una mayor resistencia en una muestra estabilizada con Terrasil.
Figura 5. Comportamiento de módulo resiliente frente a los valores de esfuerzo desviador registrado en la muestra de suelo estabilizado con Terrasil.
El comportamiento de las gráficas de presiones de confinamiento son similares entre sí; sin embargo, nuevamente los valores de módulos son mayores para la correspondiente a la presión de confinamiento de 0,42 Kg/cm2. En el momento de aplicar las presiones correspondientes a 0,28 y 0,14 Kg/cm2 la muestra ya se encuentra deformada de manera permanente, lo que implica una pérdida de resistencia.
4.2.1.4 Suelo Estabilizado con TX-85
Para la elaboración de ésta muestra se utilizó el método de compactación estático (I.N.V.E – 156) (Anexo 11). La altura de la misma es de 20 cm y el diámetro de 10 cm. La humedad inicial del suelo era de 6%; al final del ensayo tenía una humedad de 5,9% perdiendo así 0,1% durante el ensayo. La humedad en este caso es también menor que la humedad de la muestra inalterada y similar a las muestras de suelo estabilizadas con cal y con terrasil
En la tabla 5 se muestra los resultados del módulo resiliente para la muestra estabilizada con TX-85. En ésta se puede observar como la muestra resistió todos los ciclos de carga. El primer ciclo de los cincos registrados para una presión de confinamiento de 0,42 Kg/cm2 no presenta valor de módulo debido a que la muestra no presentó deformación unitaria.
Tabla 5. Resultados de Módulo resiliente para la muestra de suelo estabilizada con TX-85.
Presión de Confinamiento
(Kg/cm2)
Esfuerzo Desviador Teórico
(Kg/cm2)
Esfuerzo Desviador Registrado Promedio
(Kg/cm2)
Deformación Unitaria Promedio
(mm/mm)
Módulo Resiliente
(Kg/cm2)
0,42 0,14 ___ ___ ___
0,28 0,32 1,04E-05 30596
3000 3500 4000 4500 5000 5500
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
M ó du lo Res ili ente (K g/ cm 2)
Esfuerzo Desviador (Kg/cm2 )
0,42 0,28 0,14
0,42 0,48 1,91E-05 25079
0,56 0,64 3,81E-05 19979
0,7 0,79 4,31E-05 18270
0,28
0,14 0,18 9,07E-06 19879
0,28 0,34 1,67E-05 20403
0,42 0,5 2,65E-05 18969
0,56 0,64 3,45E-05 18461
0,7 0,78 4,30E-05 18252
0,14
0,14 0,17 8,64E-06 19516
0,28 0,33 1,61E-05 20656
0,42 0,49 2,48E-05 19880
0,56 0,65 3,34E-05 19370
0,7 0,79 4,13E-05 19209
En este caso, la deformación máxima de la muestra corresponde a 4,31E-0,5 con un valor de módulo resiliente de 18270 Kg/cm2. Comparando estos resultados con los de la muestra de terrasil y cal, se observa que se obtiene una menor deformación con un mayor valor de módulo estabilizando la muestra con el polímero TX-85.
En la figura 6 se muestra el comportamiento del módulo resiliente con respecto a los valores de esfuerzo desviador registrados. Se puede observar como la tendencia también es decreciente; sin embargo, los valores son mayores en un orden de magnitud en comparación con las muestras estabilizadas con cal y terrasil.
13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 27000 29000 31000 33000
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
M
ó
du
lo
Res
ili
ente
(K
g/
cm
2)
Esfuerzo Desviador (Kg/cm2 )
0,42 0,28 0,14
Teniendo en cuenta el comportamiento de las gráficas de presiones de confinamiento, se puede observar un comportamiento no muy similar entre sí. La tendencia de la presión correspondiente a 0,42 Kg/cm2 presenta valores de módulo mucho mayores a los mostrados en las tendencias correspondientes a 0,28 y 0,14 Kg/cm2 de presión de confinamiento. Es muy evidente como la muestra resiste mucho más carga en los primeros ciclos de carga que fueron aplicados.
4.2.1.5 Comparación de los Resultados de Módulo Resiliente
Para comparar la efectividad de los estabilizantes entre sí, en la figura 7 se muestra el comportamiento del módulo resiliente de cada material para una presión de confinamiento equivalente a 0,42 Kg/cm2. En ella se puede observar, como el polímero TX-85 es el método más efectivo con un aumento en el módulo del 6368%. Los métodos de estabilización correspondientes al terrasil y a la cal evidencian aumentos de 960% y de 673% con respecto a la muestra de suelo inalterada.
Figura 7. Módulo resiliente de las muestras ensayadas a una presión de confinamiento de 0,42 Kg/cm2
De acuerdo con lo anterior, es evidente como la estabilización de un suelo con cualquiera de los métodos utilizados, mejora significativamente la resistencia del mismo.
4.2.2
CBR
4.2.2.1 Humedad de Compactación
Cada una de la muestras a ensayar se debe elaborar con la humedad óptima del suelo. Para este caso y de acuerdo con el ensayo de Proctor, se obtuvo que la humedad óptima de esta arcilla corresponde al 18,32% (Figura 8).
0 5000 10000 15000 20000 25000
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
M
ó
du
lo
Res
ili
ente
(
K
g/
cm
2)
Esfuerzo Desviador (Kg/cm2)
Inalterado TX-85 Terrasil Cal
Figura 8. Comportamiento del peso unitario frente a diferentes humedades de compactación en el ensayo de proctor.
4.2.2.2 Densidad Seca
De acuerdo con el ensayo de caracterización del suelo, la densidad de éste corresponde a 1655,494 Kg/m3. A continuación, en la tabla 6, se muestra la densidad de seca para cada muestra.
Tabla 6. Resultados de Densidad seca para las muestras de CBR.
Densidad Seca (Kg/m3) 10 Golpes 26 Golpes 56 Golpes
Suelo Inalterado 1741,18 1758,59 1889,18
Suelo Estabilizado con cal 1480 1732,48 1828,24
Suelo Estabilizado con Terrasil 1610,59 1723,77 1776
Suelo Estabilizado con TX-85 1610,59 1771,65 1819,53
Los resultados muestran como la densidad aumentó respecto la densidad normal del suelo, esto se debe a la reducción en el porcentaje de vacíos dadas las energías de compactación.
4.2.2.3 Densidad Saturada
Con el fin de que la muestra alcance una condición crítica de falla, ésta se debe sumergir durante 4 días. Las humedades después de esos días sumergidas las muestras se hallan a partir de la norma descrita anteriormente (I.N.V.E-122) (Tabla 7). A partir de la cantidad de agua en el suelo y el volumen del mismo se obtiene la densidad saturada (Tabla 8).
12 13 14 15 16 17 18
3,00% 13,00% 23,00% 33,00%
P
es
o
U
ni
tar
io
(K
N/
m
3)
Tabla 7. Resultados de Humedad para las muestras de CBR.
Humedad (%)
10 Golpes 26 Golpes 56 Golpes
Suelo Inalterado 25,00% 21,78% 19,82%
Suelo Estabilizado con cal 26,47% 15,08% 14,29%
Suelo Estabilizado con Terrasil 20,00% 16,67% 13,24%
Suelo Estabilizado con TX-85 15,68% 11,30% 11,00%
Tabla 8. Resultados de Densidad Saturada para las muestras de CBR.
Densidad Saturada (Kg/m3) 10 Golpes 26 Golpes 56 Golpes
Suelo Inalterado 2176,478 2141,654 2263,537
Suelo Estabilizado con cal 1871,77 1732,48 1828,24
Suelo Estabilizado con Terrasil 1932,712 2011,066 2011,066
Suelo Estabilizado con TX-85 1863,065 1971,889 2019,771
De acuerdo con los resultados, se puede observar que para las muestras pertenecientes al suelo inalterado, la humedad aumentó significativamente con relación a la humedad óptima; lo que quiere decir que el suelo posee una capacidad considerable de absorción de agua.
Por otro lado, las muestras correspondientes a suelos alterados con estabilizantes presentan variación en su humedad dependiendo del número de golpes aplicados para su compactación. Cabe resaltar que para poder determinar de manera precisa la absorción y variación de humedad, es conveniente realizar un ensayo de proctor que permita hallar la humedad óptima de cada muestra estabilizada. Para efectos de este informe, los ensayos no fueron realizados debido a la falta de recursos económicos.
La relación entre la energía de compactación y la humedad obtenida después de realizada la inmersión es inversamente proporcional; es decir, entre menos energía de compactación la humedad es mayor con respecto a la humedad óptima. De igual manera, se puede observar como las humedades son menores en el suelo estabilizado con el polímero TX, lo que implica una reducción considerable en la plasticidad del suelo que puede hacerlo más resistente.
En cuánto a la densidad saturada, esta aumenta de acuerdo al contenido de humedad, por lo que es mayor en el suelo inalterado y menor en el suelo estabilizado con TX-85.
4.2.2.4 Expansión
Dado a que las muestras deben estar sumergidas en agua durante 4 días, existe alta posibilidad de expansión en el suelo. La expansión para cada muestra se muestra en la tabla 9.
Tabla 9. Resultados de Expansión para las muestras de CBR.
Expansión (%)
10 Golpes 26 Golpes 56 Golpes
Suelo Inalterado 3,10% 4,46% 5,20%
Suelo Estabilizado con cal 4,10% 3,76% 10,16%
Suelo Estabilizado con Terrasil 2,60% 6,46% 6,18%
Suelo Estabilizado con TX-85 1,08% 1,98% 4,20%
Con los resultados anteriores, se puede observar que la mayor expansión se presenta la mayoría de veces en las muestras compactadas con 56 golpes. Esto se debe a que estas muestras no tienen la cantidad de vacíos necesaria para que la totalidad del agua en la inmersión los ocupe, haciendo que el volumen del suelo aumente.
Comparando la expansión entre los suelos estabilizados y el inalterado, se puede observar que las muestras que menos se expandieron pertenecen a las estabilizadas con el polímero TX. Lo anterior confirma la hipótesis de que a través de este método se reduce significativamente la plasticidad del suelo en su estado normal.
4.2.2.5 Presión de Penetración
A continuación se muestran las gráficas pertenecientes a la presión ejercida de acuerdo a la penetración de la muestra (Figuras 9-12).
- Suelo Inalterado
Figura 9. Comportamiento de la presión respecto a la penetración para la muestra de suelo inalterado.
- Suelo Estabilizado con cal
Figura 10. Comportamiento de la presión respecto a la penetración para la muestra de suelo estabilizado con cal.
0 5 10 15 20
0 5 10 15
56 golpes 26 golpes 10 golpes
0 2 4 6 8
0 5 10 15
- Suelo estabilizado con Terrasil
Figura 11. Comportamiento de la presión respecto a la penetración para la muestra de suelo estabilizado con terrasil.
- Suelo estabilizado con TX-85
Figura 12. Comportamiento de la presión respecto a la penetración para la muestra de suelo estabilizado con TX-85.
De acuerdo con la gráfica que describe el comportamiento de la presión en las muestras de suelo inalterado (Figura 9), se puede observar como la presión para cada deformación alcanza a ser nueve veces mayor en la compactación realizada con 56 golpes, que en los otros. Esto es coherente, teniendo en cuenta que a mayor compactación, mayor densidad y por ende, mayor resistencia.
Por otro lado, las muestras estabilizadas no necesitan una energía de compactación alta para alcanzar su mayor resistencia, ya que con 26 golpes alcanzan un mejor comportamiento. Lo anterior está ligado a que los elementos que componen los estabilizantes reaccionan con el suelo disminuyendo su plasticidad significativamente. El efecto de que la mayor presión se presente con una energía de compactación equivalente a los 26 golpes se debe a que en ese estado la plasticidad se disminuye de manera óptima, ya que la muestra no ha absorbido la cantidad crítica de agua. Cuando la muestra tiene mayor capacidad de absorción (56 golpes de energía de compactación), el efecto de los estabilizantes no se da de manera óptima.
Haciendo una comparación del comportamiento de la presión de acuerdo al estabilizante, se puede ver como el polímero TX es el que resiste mayor presión (7 veces mayor en comparación con el Terrasil y 6 veces mayor en comparación con la cal); sin embargo, esta presión la resiste en un rango de deformación de solo 5 mm (a partir de una deformación de 5 mm empieza a disminuir). Por el contrario, aunque no tienen valores altos de presión, las muestras estabilizadas con cal y Terrasil presentan siempre un comportamiento ascendente. Dado a lo anterior, el uso de los estabilizantes para mejorar las características de subrasantes como las que tiene la ciudad de Bogotá, depende de las necesidades que tenga cada proyecto.
0 1 2 3 4 5
0 5 10 15
56 golpes 26 golpes 10 golpes
0 5 10 15 20 25
0 5 10 15
4.2.2.6 Valor de la Relación de Soporte CBR
A continuación se muestran las figuras correspondientes al comportamiento de la presión con respecto a la deformación para cada muestra utilizada en el ensayo de CBR (Figuras 13-15). Teniendo en cuenta que el ensayo se realiza para varias energías de compactación, es necesario recordar que para cada caso se utilizaron tres muestras (una por cada energía aplicada).
Suelo Inalterado
Figura 13. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo inalterado
compactado con 10 golpes.
Figura 14. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo inalterado
compactado con 26 golpes.
Figura 15. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo inalterado compactado con 26 golpes.
Las Figuras 13 y 15 muestran una corrección mediante una línea tangente, teniendo en cuenta que la línea original presenta más de dos puntos de inflexión. Lo anterior implica que el
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
0 5 10 15
P res ió n (K g/ cm 2) Deformación (mm) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
0 5 10 15
P res ió n (K g/ cm 2) Deformación (mm) 0 5 10 15 20
0 5 10 15
P res ió n (K g/ cm 3 Deformación (mm)
El cálculo del CBR requiere de encontrar las presiones para unas deformaciones de 2,54 mm y 5,08 mm. Estos resultados se muestran en la tabla 10.
Tabla 10. Resultados de CBR para la muestra de suelo inalterado
Deformación (mm) Presión (Kg/cm2) Presión de Referencia (Kg/cm2) CBR (%)
10 Golpes 2,5 1,09 70,31 1,55%
5,08 1,4 105,46 1,33%
26 Golpes 2,5 1,44 70,31 2,05%
5,08 2,17 105,46 2,06%
56 Golpes 2,5 1,19 70,31 1,69%
5,08 3,29 105,46 3,12%
De acuerdo a los resultados de CBR, se puede ver que la capacidad portante para la muestra de suelo inalterado es muy baja con respecto a la arena californiana. Los valores más altos de éstos corresponden a la muestra que se sometió a más energía de compactación. Lo anterior ocurre dado a que a través de la compactación aumenta la densidad del suelo, permitiendo así un aumento en la resistencia.
Suelo estabilizado con cal
Figura 16. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con cal
compactado con 10 golpes.
Figura 17. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con cal
compactado con 26 golpes.
0 1 2 3 4 5
0 5 10 15
P res ió n (K g/ cm 2) Deformación (mm) 0 2 4 6 8
0 5 10 15
P res ió n (K g/ cm 2) Deformación (mm)
Figura 18. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con cal compactado con 56 golpes.
Para este caso, sólo la figura que representa el comportamiento para la muestra compactada con 26 golpes (Figura 17), presenta más puntos de inflexión, por lo que fue necesario corregirla con dos líneas tangentes a estos.
En cuánto a los resultados de CBR (Tabla 11), se puede observar cómo la relación de soporte mejora para el suelo estabilizado con cal (aumenta 81% en promedio con respecto al suelo inalterado). La eficiencia de la cal se da a los 26 golpes de energía de compactación.
Tabla 11. Resultados de CBR para la muestra de suelo estabilizado con cal.
Deformación (mm) Presión (Kg/cm2) Presión de Referencia (Kg/cm2) CBR (%)
10 Golpes 2,5 2,15 70,31 3,06%
5,08 2,88 105,46 2,73%
26 Golpes 2,5 3,38 70,31 4,81%
5,08 5,97 105,46 5,66%
56 Golpes 2,5 1,99 70,31 2,83%
5,08 3,23 105,46 3,06%
Suelo estabilizado con Terrasil
0 1 2 3 4 5
0 5 10 15
P res ió n (K g/ cm 2) Deformación (mm) 0 1 2 3 4 5
0 5 10 15
P res ió n (kg/c m 2) Deformación (mm) 0 1 2 3 4 5
0 5 10 15
P res ió n (K g/ cm 2) Deformación (mm)
Figura 21. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con Terrasil compactado con 56 golpes.
En el caso de las muestras estabilizadas con Terrasil, se observa en las tendencias (Figuras 19, 20 y 21), que a todas se les debió realizar una corrección debido a la presencias de más de dos puntos de inflexión en cada una. Los resultados de CBR para la muestra estabilizada con Terrasil (Tabla 12), al igual que la muestra estabilizada con Cal, evidencian una mejora en la relación de soporte del suelo.
Tabla 12. Resultados de CBR para la muestra de suelo estabilizado con Terrasil.
Deformación (mm) Presión (Kg/cm2) Presión de Referencia (Kg/cm2) CBR (%)
10 Golpes 2,5 2,19 70,31 3,11%
5,08 3,03 105,46 2,87%
26 Golpes 2,5 2,5 70,31 3,56%
5,08 3,23 105,46 3,06%
56 Golpes 2,5 2,02 70,31 2,87%
5,08 2,49 105,46 2,36%
Se puede observar como el CBR siempre es mayor para una deformación menor de la muestra, por lo que se puede inferir que el suelo estabilizado con Terrasil se comporta teniendo en cuenta la carga resistida a lo largo de su vida útil. En comparación con el suelo inalterado, los valores de CBR aumentaron en promedio 15%, mientras que con respecto al material estabilizado con cal, se observa que la tendencia de aumento o disminución del CBR es función del número de golpes.
0 1 2 3 4
0 5 10 15
P
res
ió
n
(kg/c
m
2)
Suelo estabilizado con TX-85.
Figura 22. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con
TX-85 compactado con 10 golpes.
Figura 23. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con
TX-85 compactado con 26 golpes.
Figura 24. Comportamiento de la presión respecto a la deformación para la muestra de suelo estabilizado con TX-85 compactado con 56 golpes.
En las tendencias de las muestras estabilizadas con TX-85 (Figuras 22, 23 y 24), se observa que a todas solo no se debió corregir la correspondiente a la estabilizada con una energía de 26 golpes. En cuanto a los resultados de CBR, la muestra estabilizada con TX-85 evidencia una mejora mucho mayor comparando los resultados con los obtenidos con las muestras estabilizadas con cal y Terrasil (tabla 13). Para este caso, la relación de soporte mejora cuando la deformación es mayor. Los valores de CBR presentan un aumento promedio de 465% con respecto a los valores del suelo inalterado, de 212% con respecto a los valores de CBR del suelo estabilizado con cal y de 395% con respecto a los valores de CBR del suelo estabilizado con Terrasil.
0 5 10 15 20
0 5 10 15
P res ió n (kg/c m 2) Deformación (mm) 0 5 10 15 20 25
0 5 10 15
P res ió n (K g/ cm 2) Deformación (mm) 0 5 10 15 20
0 5 10 15
P res ió n (K g/ cm 2) Deformación (mm)
Tabla 13. Resultados de CBR para la muestra de suelo estabilizado con TX-85.
Deformación (mm) Presión (Kg/cm2) Presión de Referencia (Kg/cm2) CBR (%)
10 Golpes 2,5 5,8 70,31 8,25%
5,08 13,47 105,46 12,77%
26 Golpes 2,5 9,91 70,31 14,09%
5,08 18,57 105,46 17,61%
56 Golpes 2,5 7,42 70,31 10,55%
5,08 17,26 105,46 16,37%
El valor de relación de soporte para cada muestra, se obtiene a partir de la gráfica de CBR con respecto a la Densidad de cada una. En la Figura 25 se muestra el comportamiento de ésta para cada muestra.
Figura 25. Comportamiento de los valores de CBR respecto a la densidad de cada muestra.
El valor de CBR es aquel que corresponde con la densidad Proctor hallada previamente (1664,897 Kg/m3). Cabe resaltar, que este valor de densidad se halló solo para la muestra de suelo inalterado. Para determinar la densidad para las muestras estabilizadas se requiere realizar un ensayo de Proctor para cada una; lo que para efectos de este informe no se realizó. En este sentido, se tomó la densidad Proctor como una misma para cada muestra y con ésta se determinó los valores de CBR. En la Tabla 14 se muestran los valores de CBR hallados para cada muestra a partir del comportamiento mostrado en la figura anterior.
Tabla 14. Resultados de CBR para cada muestra elaborada.
Muestra Valor CBR
Inalterada 1,83%
Estabilizada con Cal 4,67%
Estabilizada con Terasil 3,12%
Estabilizada con Polimero 12,32%
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
1400 1600 1800 2000
Rel
ac
ió
n
de So
po
rte
(CBR)
Densidad (Kg/m3)
Inalterado Cal Terrasil Polimero
De acuerdo a los resultados, es posible observar como todos los métodos de estabilización utilizados mejoran la capacidad de soporte del suelo bogotano entre el 70% y el 600% con respecto al suelo sin estabilizar. Los métodos como la cal y el Terrasil logran aumentos del 70 y del 155%, respectivamente; mientras que el polímero TX-85 logra que el suelo pase de una condición Muy pobre a una condición Regular, según la clasificación de los suelos según CBR (Anexo 12) con un aumento de 573% en comparación con la muestra de suelo inalterada.
4.2.3
RELACIÓN ENTRE CBR Y MÓDULO RESILIENTE
De acuerdo con la Guía de Diseño AASTHO 93, se tienen varias correlaciones que determinan el módulo a partir de resultados de ensayos de CBR (Herrera, 2014).
Para los CBR menores a 10% (Inalterado, estabilizado con cal y estabilizado con terrasil), se utilizó la correlación establecida por Heukelom y Klomp (Anexo 13), obteniendo los siguientes valores de módulo.
Tabla 15. Valores de módulo resiliente utilizando la correlación para valores de CBR<10%
Muestra Módulo Resiliente(Kg/cm2)
Inalterada 192,973
Estabilizada con Cal 492,451
Estabilizada con Terrasil 329,004
Para los CBR menores a 20%, la guía recomienda utilizar la expresión dada en el Anexo 14. El valor de módulo para el polímero TX-85 se muestra en la Tabla 16.
Tabla 16. Valor de módulo resiliente utilizando la correlación para valores de CBR<20%
Muestra Módulo (Kg/cm2)
Estabilizada con TX-85 550,98328
De acuerdo con los resultados de módulo, la correlación de Heukelom y Klomp solo es válida para la muestra inalterada; ya que las muestras estabilizadas con cal y Terrasil presentan valores de módulo en un rango de entre 3000 y 5000 Kg/cm2.
Por otro lado, la expresión utilizada para hallar el módulo resiliente del suelo estabilizado con el polímero también arrojó un resultado erróneo conforme a los resultados obtenidos en el ensayo de módulo resiliente. Los valores de módulo para la muestra estabilizada con el polímero TX-85 se encuentran en un rango de entre 20000 y 30000 Kg/cm2.
Lo anterior infiere que las correlaciones desarrolladas son aptas sólo para las muestras de suelo inalteradas. Para muestras de suelo estabilizadas o alteradas con algún tipo de método debe tenerse en cuenta la acción de los estabilizantes en las mismas al momento de establecer una
5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Continuación se listan las principales conclusiones y recomendación que resultaron de este trabajo:
1. De acuerdo con los ensayos de caracterización básica del suelo y a los resultados obtenidos de la muestra de suelo inalterado, las arcilla Bogotana seleccionada tiene propiedades que la hacen poco apta para la construcción de pavimentos que demandan alto tráfico pesado.
2. La implementación de métodos de estabilización de suelos, como los usado para fines de este documento, reducen de manera importante la humedad del mismo causando así una reducción del índice de plasticidad y un aumento en la resistencia.
3. De acuerdo a los resultados de módulo resiliente, el método más eficiente corresponde al que utiliza polímero TX-85; ya que los resultados arrojan valores de módulo en rangos de entre 20000 y 30000 Kg/cm2.
4. Los resultados de CBR permiten determinar el comportamiento del suelo de acuerdo a varias condiciones de compactación. A mayor energía de compactación se reduce la humedad del suelo y aumenta la resistencia del mismo debido al aumento de su densidad. 5. Las arcillas Bogotanas tienen una relación de soporte CBR Muy Pobre, de acuerdo con la
clasificación de suelos según esta propiedad. Dado lo anterior, es imprescindible el uso de un método de estabilización que permita mejorar las propiedades de las arcillas bogotanas. Para este caso, el uso del polímero TX-85 aumentó el valor de relación de soporte en un 573,22% , convirtiéndolo en el método más eficiente.
6. En el ensayo de módulo resiliente, para todos los casos se observó como las muestras presentan una mayor resistencia al inicio del mismo (cuando la carga aplicada es mayor), lo que implica que los suelos se deforman y pierden propiedades permanentes conforme a las cargas recibidas y las frecuencias de las mismas. Dado esto, el uso de los estabilizantes dará su mayor efectividad en los primeros años de vida útil del pavimento.
7. De acuerdo con los resultados obtenidos, un suelo con características similares a las arcillas bogotanas puede ser estabilizado con cualquier método analizado en el presente documento. Sin embargo, la efectividad del mismo será consecuente con la demanda de tráfico al que será sometido. En este caso, el suelo se puede estabilizar con cal o con Terrasil para demandas de tráfico bajas y con Polímero TX-85 para demandas de tráfico altas.
8. Para los interesados en estudiar el tema de los estabilizantes, se les recomienda realizar más ensayos en cada una de las muestras, utilizando el mismo porcentaje y algunos otros adicionales. De igual manera, se recomienda realizar un ensayo que permita determinar las humedades óptimas de cada tipo de muestra alterada. Lo anterior es con el fin de prevenir la incertidumbre en los resultados que se obtengan.
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