ESTABILIZACIÓN DE
SUELOS
INTEGRANTES
COBEÑAS ABAD Mirella
JAIME AQUIÑO Alexandro
Chingel Cruz Leonardo
Rodriguez Medina Alicia
Curso: Mecánica de suelos
Prof. Ing. Rocio Collantes
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
INDICE
I.
INTRODUCCION
II.
IMPORTANCIA DE LA ESTABILIZACION SE SUELOS
III.
MARCO TEORICO
3.1 CONCEPTO
3.2 ESTABILIZACION FISICA
3.2.1 ESTABILIZACION CON GEOSINTETICOS
3.2.2 ESTABILIZACION MEDIANTE MEZCLA DE AGREGADOS
3.3 ESTABILIZACION QUIMICA
3.3.1 ESTABILIZACION CON CEMENTO
3.3.2 ESTABILIZACION CON CAL
3.3.3 ESTABILIZACION DE SUELOS CON ASFALTO
3.3.4 ESTABILIZACION CON CLORURO DE SODIO
3.3.5 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS POR ESCORIAS DE FUNDACION
3.4 ESTABILIZACION MECÀNICA
3.4.1 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS POR COMPACTACIÓN
3.5 ESTABILIZACION DE TALUDES
IV.
CONCLUSIONES
V.
BILBIOGRAFIA
I.
INTRODUCCION
Cualquier tipo de suelo que no presente resistencias suficientes para no sufrir deformaciones ni alteraciones consideradas inadmisibles para el uso habitual o que directamente los agentes atmosféricos (lluvia, sequia, heladas) alteren su comportamiento o estructura, se puede estabilizar. SI no conserva, por lo tanto, esta condición duradera que debe exigirse en una inversión de este tipo de infraestructura.
Si tan siquiera bajo los efectos climatológicos normales en la localidad no resiste, ni soporta el uso habitual al que está destinada la vía, hablamos entonces de que el suelo no es estable o no se ha estabilizado correctamente.
Para estabilizar o consolidar cualquier tipo de suelo es necesario aportar un producto que encapsule, proteja y mejore su capacidad auto portante.
Algunas veces es cierto que el terreno natural posee la composición granulométrica, la plasticidad y el grado de humedad necesario para que, una vez apisonado, presente las características mecánicas que lo hacen utilizable como firme de un camino.
Pero lo que no ocurre nunca, es que estas condiciones óptimas de uso permanezcan a lo largo de la vida útil estimada del camino, provocándose degradación general y puntual en muchos casos a los pocos meses del trabajo de compactación realizado e incluso debido a fuertes lluvias, de forma casi inmediata a la finalización de los trabajos.
Por si solos, los terrenos no pueden defenderse de estas adversidades. Para corregir este efecto habitual negativo, hay que estabilizar el terreno para preservar la calidad del trabajo aportado por maquinaria y personal y ofrecer un buen rendimiento económico a la inversión.
De forma general, todos los suelos pueden ser estabilizados, lo que ocurre es que si la estabilización ideal ha de lograrse con aportaciones de otros suelos (mejora de la granulometría) o por medios de otros elementos (cemento, cal, cloruro de sodio, etc.) el costo de la mejora puede resultar demasiado alto si el suelo que se trata de corregir no cumple determinadas condiciones de estructura interna.
II.
IMPORTANCIA DE LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS
El suelo se deforma bajo la acción de las cargas, específicamente las transmitidas por las capas del firme. Los suelos son resistentes y aptos para la rodadura mientras las cargas no vencen su resistencia al corte. Esta resistencia depende del rozamiento en el caso de gravas o arenas, y de la cohesión en los suelos arcillosos. Con frecuencia sin embargo, los suelos no tienen las características adecuadas.
Con la estabilización de suelos se persigue fundamentalmente un aumento de la capacidad de carga y una disminución de su sensibilidad frente al agua y otras condiciones medioambientales desfavorables.
Es sabido que, especialmente en ciertos tipos de suelo, su resistencia varía ampliamente al cambiar la proporción del agua que contiene. Con la estabilización se pretende, en primer término lograr, que dentro de unas condiciones normales, el agua del suelo varíe entre límites muy pequeños. Se tendrá así una resistencia conocida y estable. Para ello se añaden y mezclan con el suelo diferentes productos, que transmiten esta propiedad al suelo, estabilizando sus características. Así sucede con los suelos predominantemente arcillosos y con los limosos, capaces de absorber y retener proporciones elevadas de agua. Cuando están secos se disgregan y presentan una apreciable resistencia. Pero cuando tienen una cierta cantidad de agua se hacen plásticos y deformables llegando incluso a fluidificarse. El cemento, los productos bituminosos y las diferentes clases de resinas y plásticos que se emplean en la estabilización, limitan la cantidad de agua que el suelo pueda contener, estabilizándolo.
El material estabilizador tiene una doble función, dar al conjunto una determinada rigidez y mantener esta característica evitando que la posible absorción de agua exceda los límites convenientes.
La estabilización exige el cumplimiento de una serie de condiciones comunes, que son las siguientes:
1. El suelo estabilizado deberá tener la resistencia precisa para soportar las cargas a que ha de estar sometido, esta resistencia mínima habrá de lograrse en las condiciones extremas, de humedad y acción del hielo, que se han de prever, según las características meteorológicas y de drenaje. 2. El cumplimiento de la condición anterior obligará a corregir el suelo natural, bien por la aportación de otros agregados o por la adición de cemento, betún o diferentes productos químicos. La conveniencia del empleo de uno u otros, es cuestión económica.
3.- Tipos de Estabilización.- Existen diversos tipos de estabilización y mejoramientos de suelos en donde es importante tener conocimiento de conceptos teóricos, prácticos y experimentales sobre
características y propiedades de los suelos en especial el comportamiento de los suelos finos, con la finalidad de obtener el método apropiado de estabilización que puede ser mecánica o química, para un tipo de suelo en especial teniendo en cuenta consideraciones climatológicas, regionales, criterios técnicos de resistencia-durabilidad y aspectos económicos.
III.
MARCO TEORICO
Tipos de estabilización
3.1 Estabilización Física
Se utiliza para mejorar el suelo produciendo cambios físicos en el mismo. Hay varios
métodos como lo son:
Mezclas de Suelos: este tipo de estabilización es de amplio uso pero por si sola no logra
producir los efectos deseados, necesitándose siempre de por lo menos la compactación
como complemento.
Por ejemplo los suelos de grano grueso como las gravas – arenas tienen una alta fricción
interna lo que permiten soportar grandes esfuerzos pero esta cualidad no hace que sea
estable como capa de asiento del firme de una carretera ya que, al no tener cohesión sus
partículas se mueven libremente y con el paso de los vehículos se pueden separar.
Las arcillas, por el contrario tienen una gran cohesión y muy poca fricción lo que provoca
que pierdan estabilidad cuando hay mucha humedad. La mezcla adecuada de estos dos
tipos de materiales se suelo puede dar como resultado un material estable en que se puede
aprovechar la fricción interna de uno y la cohesión del otro para que las partículas se
mantengan unidas
Otro de los métodos físicos usados para la estabilización de suelos son los geosintéticos
3.1.1 ESTABILIZACIÓN CON MATERIALES GEOSINTÉTICOS
Este tipo de estabilización se aplica en la construcción de pavimentos, por eso primero vamos a ver cómo trabaja la subrasante.
Los parámetros determinantes en la respuesta de la Subrasante
El comportamiento de una subrasante generalmente depende de tres características
básicas, las cuales se hallan interrelacionadas entre sí, siendo estas las siguientes:
a) La capacidad portante.
La subrasante debe tener la capacidad de soportar las cargas
transmitidas por la estructura del pavimento. El propósito del pavimento es proporcionar
una superficie confortable al tránsito de vehículos. Consecuentemente, es necesario que la
subrasante sea capaz de soportar un número grande de repeticiones de carga sin presentar
deformaciones.
b) Contenido de humedad .El diferente grado de humedad de la subrasante afecta en
forma determinante su capacidad de carga, pudiendo además llegar a provocar inclusive
contracciones y/o expansiones indeseables, especialmente en el caso de la presencia de
suelos finos. El contenido de humedad es afectado principalmente por las condiciones de
drenaje, elevación del nivel freático, infiltración etc. Una subrasante con un elevado
contenido de humedad sufrirá deformaciones prematuras ante el paso de las cargas de
solicitación de los vehículos.
c) Contracción y/o expansión. Algunos suelos se contraen o se expanden, dependiendo de
su grado de plasticidad y su contenido de humedad. Cualquier pavimento construido sobre
estos suelos, si no se adoptan las medidas pertinentes, tenderán a deformarse y/o
deteriorarse prematuramente. Para evitar que las deflexiones admisibles en la subrasante
excedan los límites establecidos, debe cumplirse que la presión transmitida por la carga se
mantenga por debajo del valor de la carga máxima transmitida al suelo, para lo cual
deberá tomarse en cuenta el tránsito de diseño a través del número de repeticiones de
carga, las deflexiones máximas esperadas y el CBR del material con el que se ejecutará el
mejoramiento.
El ensayo de C.B.R. mide la resistencia al corte (esfuerzo cortante) de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas, la ASTM denomina a este ensayo, simplemente como “Relación de soporte” y esta normado con el número ASTM D 1883-73.
El ensayo más utilizado es el CBR, el cual representa la relación, en porcentaje, entre el esfuerzo requerido para penetrar un pistón cierta profundidad dentro del suelo ensayado y el esfuerzo requerido para penetrar un pistón igual, la misma profundidad, dentro de una muestra patrón de piedra triturada.
Principales tipo de geo sintéticos
Geomallas
Las geomallas son elementos compuestos por filamentos, que pueden ser extruidos (una sola pieza), tejidos o soldados, que forman un entramado y que en combinación a un elemento de relleno ofrece el trabajo de tensión. Su función es aumentar la capacidad de carga de un terreno; esto se logra por medio de la distribución de cargas, resultado de la interacción o fricción a la que es sometido. Tipos de geomallas Uniaxial Biaxial Triaxial
Geotextiles
La telas para las aplicaciones con geotextil se pueden producir a partir de fibras tejidas mediante procesos de tejido o entrelazado, o pueden formar parte de los materiales llamados no tejidos. La selección de la tela óptima depende de los requerimientos funcionales de la instalación. En general, las telas tejidas son resistentes a la tensión, tienen un módulo elevado de elasticidad y elongación baja.
Geoceldas
Son estructuras tridimensionales con forma de nido de abeja, realizada de polietileno mediante extrusión en continuo, sin soldaduras excesivas. Son estructuras monolíticas, muy resistentes a la tracción. Dependiendo del fabricante, algunas se pueden abrir como un acordeón formando así una seria de celdas hexagonales unidas todas entre sí, por ello, pueden ser transportadas y almacenadas en condiciones de mínimo estorbo.
Uso de los geosintéticos
Los deterioros en el pavimento pueden ser debidos a las cargas de los vehículos o a factores ambientales. La aplicación reiterada de las cargas de tráfico a través de las ruedas puede originar una falla estructural o funcional del pavimento. Las cargas ambientales son inducidas por las condiciones climáticas, como por ejemplo las variaciones en la temperatura o la humedad en la subrasante, que pueden causar irregularidades superficiales o deterioros estructurales. Los ciclos de humedad y sequedad (o congelación y descongelación) pueden causar el deterioro del material de la capa de base. Los procedimientos constructivos también afectan el comportamiento del pavimento. Por ejemplo, el uso de áridos con un exceso de finos puede ocasionar un rápido deterioro del pavimento. Los diversos mecanismos de deterioro producidos por el tráfico y las cargas ambientales pueden ser aminorados mediante el uso de geosintéticos.
El mezclado de los materiales de base y el terreno de cimentación reduce la resistencia y la rigidez de la base. Cuando no se aplica ningún geosintético, es necesario que se proporcione un espesor de base adicional para poder compensar la pérdida material de la base que se incrusta en el terreno.
En la construcción de vías terrestres se presentan frecuentemente problemas de asentamientos diferenciales en zonas arcillosas, o bien en zonas arenosas, donde se produce el fenómeno de licuación, las cuales se pueden estabilizar por medio de Geomallas. En este caso, las Geomallas Biaxiales tienen la función de distribuir, en un área mayor, las cargas transmitidas por los vehículos, aumentando la capacidad de carga de los suelos de base, reduciendo las deformaciones sobre la superficie de rodamiento, otorgando mayor vida útil a las estructuras de pavimento y ahorros en futuras rehabilitaciones.
2.3 FUNCIONES PRINCIPALES DE LOS GEOSINTÉTICOS
SEPARACIÓN
Se puede usar los geosintéticos (geotextiles), para separar las capas entre el suelo de la subrasante y las capas granulares. El paso de los vehículos sobre la capa de rodamiento, causa el movimiento de las partículas de las capas inferiores, como resultado de esto, los finos de la subrasante pueden mezclarse con el terraplén, dentro de las capas granulares, reduciendo la resistencia y la capacidad de drenaje de esas capas. Además, los geosintéticos pueden reducir la penetración de las partículas granulares dentro de una subrasante blanda, manteniendo de esta manera el espesor y la integridad de las capas granulares, incrementando además la vida de servicio de la vía. Para cumplir con esta función, el geosintético debe cumplir con los siguientes aspectos:
Ser resistente a los esfuerzos de tracción y punzonamiento.
Para que un geotextiles cumpla correctamente la función de separación entre un suelo de subrasante y una capa de material granular, el CBR de la subrasante debe estar entre 3% y 10%
En efecto, dentro de este rango se asume que la deformación del suelo de subrasante no es lo suficientemente importante para generar grandes esfuerzos de tensión en el geotextil, el cual se diseña como separación y no como refuerzo. Cuando el CBR es menor, del 3% el geotextil asume grandes deformaciones y comienza a absorber esfuerzos a tensión que lo inducen a trabajar como refuerzo, factor que afecta totalmente el diseño por separación. En los casos en que el CBR de la subrasante sea menor del 3% se debe hacer un diseño por refuerzo y verificar los criterios del diseño por separación cuando el geotextil se coloca entre dos materiales de diferentes características
METODOLOGÍA DE DISEÑO
Este diseño permite escoger el tipo de geotextil adecuado para colocar en la interfaz subrasante -capa granular, que tiene como función principal la separación de suelos adyacentes con propiedades y características diferentes y la estabilización de la subrasante durante el periodo de vida útil de la estructura de una vía.
Para eso debemos tener en cuenta los tipos de esfuerzos a los que estará sometido el geotextil y así asegurar su óptimo funcionamiento.
Resistencia al Estallido (Mullen Burst)
El geotextil que se coloca en la interfaz subrasante - capa granular debe cumplir una resistencia mínima para que no falle por estallido.
Resistencia al Punzonamiento
Se debe calcular la fuerza vertical que actuará sobre el geotextil bajo estas condiciones, y verificar que el geotextil que se coloque resista el punzonamiento que se genere.
REFUERZO
Mientras que la función de refuerzo, a menudo, se ha logrado usando geomallas, los geotextiles también se han utilizado como refuerzo en aplicaciones de transporte. El refuerzo con geosintético se coloca a menudo en la interfaz entre las capas de base y subbase, o subbase y subrasante, o en el interior de la base del pavimento flexible. Así se reducen las tensiones sobre la subrasante en relación con los pavimentos flexibles sin este refuerzo.
El mejor comportamiento del pavimento debido al refuerzo con geosintéticos ha sido atribuido a tres mecanismos: (1) la restricción lateral, (2) el aumento de la capacidad de soporte, y (3) efecto membrana tensionada.
C
onfinamiento lateral de la base o subbase El confinamiento lateral de los materiales granulares (Base o Subbase) se logra a través de la fricción y trabazón de la Geomalla con el agregado. Cuando una capa de pavimento compuesta por árido es sometida a la carga de tráfico, el árido constituyente de la capa tiende a moverse lateralmente a menos que su movimiento se encuentre impedido por la subrasante o por el refuerzo con elgeosintético. La interacción entre los áridos de la capa de base y el geosintético permite la transferencia del esfuerzo cortante desde la capa de base a un esfuerzo de tracción en el geosintético. La rigidez a tracción del
geosintético limita las deformaciones laterales en la capa de base. Además, el geosintético confina la capa de base, lo que aumenta su tensión media y por tanto aumenta la resistencia al esfuerzo cortante. Ambas características, de fricción y de confinamiento en la interfaz entre el suelo
y el geosintético, contribuyen a este mecanismo. Por consiguiente, las aberturas de la geomalla y el tamaño del material de la capa de base deben estar en consonancia. Un geotextil con una buena capacidad de fricción también puede proporcionar resistencia a la tracción para el movimiento lateral de los áridos.
Mejoramiento de la capacidad portante
El mejoramiento de la capacidad portante se logra desplazando la superficie de falla del
sistema del terreno natural blando hacia la capa granular de mucha más resistencia. El
mecanismo de aumento de la capacidad portante causada por el refuerzo ocurre debido a
que la presencia de los geosintéticos facilita el desarrollo de una superficie alternativa de
falla. Este nuevo plano alternativo proporciona una superior capacidad de soporte. El
refuerzo que aporta el geosintético puede disminuir los esfuerzos cortantes trasladados a
la subbase y proporcionar confinamiento vertical fuera de la zona de carga.
Efecto de la Membrana tensionada
Asimismo es previsible que el geosintético actúe como una membrana tensionada, que
soporta las cargas de rueda. En este caso, el refuerzo proporciona una reacción de
componente vertical a la carga de la rueda aplicada. Este efecto membrana tensionada es
inducido por las deformaciones verticales, dando lugar a que el geosintético adopte una
forma cóncava.
Las tensiones originadas en el geosintético contribuyen a soportar la carga
de la rueda y reducen la tensión vertical sobre la subrasante
. Sólo hay constancia de la
aparición de este fenómeno cuando el CBR de la subrasante es inferior a 3%.
3.3 Estabilización química
Se refiere a la utilización de ciertas sustancias químicas patentizadas y cuyo uso involucra
la sustitución de iones metálicos y cambios en la constitución de los suelos involucrados en
el proceso.
Dentro de este gripo de estabilización, las sustancias químicas, más comunes son: cal y
cemento.
3.3.1 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CEMENTO
Básicamente cualquier suelo puede estabilizarse con cemento a excepción de los suelos muy plásticos, orgánicos o con altos contenidos de sales que puedan afectar el desempeño del cemento.
Existen diversos criterios en varios países, que limitan y especifican las características que debe tener un suelo para considerarse aceptable en la elaboración de una mezcla de suelo-cemento. Si se comparan dichos criterios entre sí, existen diferencias respecto a ciertos requerimientos; sin embargo, todos coinciden en limitar aspectos relativos a la granulometría del suelo, proceso constructivo y cumplimiento de requerimientos del diseño de mezcla y de la estructura del pavimento.
Una comparación de requisitos granulométricos exigidos para algunas entidades se presenta en tablas en este documento. El objetivo de limitar características del suelo, principalmente el índice de plasticidad y los requerimientos granulométricos, es obtener una mezcla económica en términos de la cantidad de cemento y de buen comportamiento estructural. Los suelos estabilizados con cemento, no deben considerarse como materiales inertes. La adición de agua y cemento al suelo hace que reaccione químicamente, produciéndose cambios a través del tiempo y modificando sus propiedades físicas a corto, medio y largo plazo. Dichas reacciones químicas se explican al final de este artículo. Otras consideraciones que deben tomarse en cuenta para la selección del suelo a utilizar en mezclas de suelo- cemento, son los aspectos constructivos y de cumplimiento de los requisitos estructurales, ya que algunos suelos presentan mayor facilidad de mezclado y de compactación que otros.
CEMENTO
Los requerimientos del cemento varían en función de las propiedades deseadas en la mezcla y del tipo de suelo a utilizar, mientras que el contenido de cemento a emplear depende de si el suelo va a ser modificado o estabilizado. Se han usado con éxito cementos hidráulicos con adiciones de acuerdo con la norma ASTM C 595 o bien los cementos hidráulicos por desempeño tipo HE o GU según la norma ASTM C ll57. Muchos autores opinan que la tendencia al agrietamiento en general, aumenta con el contenido de cemento y con el uso de suelos finos y plásticos, disminuyendo la resistencia del conjunto. Para estos suelos es viable emplear para su estabilización cal o mezclas de cal y cemento. En principio, cualquier cemento puede usarse en la estabilización de suelos, siempre y cuando se analice previamente en un diseño de mezcla. Debe tenerse cuidado con suelos ricos en sulfatos, puesto que los estudios han mostrado que contenidos de sulfatos mayores de 0.2% se traducen en una reducción de la resistencia a compresión. Los cementos tipo V de ASTM C l50 han resistido favorablemente.
Siendo los suelos por lo general un conjunto de partículas inertes granulares con otras activas de diversos grados de plasticidad, la acción que en ellos produce el cemento es doble. Por una parte actúa como conglomerante de las gravas, arenas y limos desempeñando el mismo papel que en el hormigón. Por otra parte, el hidrato de calcio, que se forma al contacto del cemento con el agua, libera iones de calcio que por su gran afinidad con el agua roban algunas de las moléculas de ésta interpuestas entre cada dos laminillas de arcilla. El resultado de este proceso es la disminución de la porosidad y de la plasticidad así como un aumento en la resistencia y en la durabilidad. Se pueden utilizar todos los tipos de cementos, pero en general se emplean los de fraguado y endurecimiento normales. En algunos casos, para contrarrestar los efectos de la materia orgánica son recomendables los cementos de alta resistencia y si las temperaturas son bajas se puede recurrir a cementos de fraguado rápido o al cloruro de calcio como aditivo.
Este tipo de estabilización es de uso cada vez más frecuente y consiste comúnmente en agregar cemento Portland en proporción de un 7% a un 16% por volumen de mezcla.
Al mejorar un material con cemento Portland se piensa principalmente en aumentar su resistencia, pero además de esto, también se disminuye la plasticidad, es muy importante para que se logren estos efectos, que el material por mejorar tenga un porcentaje máximo de materia orgánica del 34%.
Casi todos los tipos de suelo que encontramos pueden estabilizarse con cemento con excepción de los que contienen altos porcentajes de materia orgánica. Por otra parte, los suelos de arcilla o limo requerirán un mayor porcentaje de cemento para lograr los resultados esperados.
una capa de rodadura de poco espesor (ya sea para tránsito ligero o medio); también podrá servir de apoyo a un pavimento rígido o flexible de alta calidad.
Para la utilización del cemento, lo que tiene verdadera importancia es que el suelo no contenga materias que perjudiquen el fraguado o la resistencia. Interesa también para la economía de la obra limitar el porcentaje de cemento necesario y prever el comportamiento de las arcillas. En este orden hay que tomar en cuenta las aptitudes intrínsecas del suelo para la estabilización como son la Granulometría, lo que implica que los suelos a mejorarse no deben contener piedras de tamaño superior a 60mm (es decir, que el porcentaje que pasa por el tamiz #200 sea menor del 50%); y la Plasticidad, lo que determinará la calidad de las arcillas, estableciendo un Límite Líquido menor de 50% (<40%) y un Índice de Plasticidad menor de 25% (<18%).
CEMENTOS MÁS ADECUADOS PARA LA ESTABILIZACIÓN CON CEMENTO
En los suelos estabilizados con cemento el tipo de conglomerante tiene una importancia menor en comparación con la dosificación del mismo o la densidad alcanzada en la compactación. Es posible utilizar la gran mayoría de los cementos comercializados en España, por lo que, como ya se ha mencionado en muchos casos su elección dependerá de la disponibilidad y precio de los mismos. No obstante, algunas recomendaciones de tipo práctico pueden mejorar ciertos aspectos.
A continuación, se mencionará los cementos más adecuados que deben usarse en este tipo de tratamiento:
Inicio y final de fraguado suficientemente largos, de forma que se tenga un elevado plazo de trabajabilidad.
Moderado calor de hidratación, para limitar los efectos de la fisuración por retracción (ancho de fisuras y distancia entre las mismas), principalmente en épocas calurosas.
Desarrollo lento de resistencias y módulos de rigidez a edades tempranas, recuperándolas a largo plazo. Con ello se consigue limpiar el efecto de la retracción y los fenómenos iniciales de fatiga inducidos por las cargas del tráfico.
Los cementos que más se aproximan a las cualidades anteriores son aquellos con mayor contenido de adiciones activas, como pueden ser los tipos CEM III, CEM IV, CEM V o ESP VI.
No se deben emplear cementos de aluminato de calcio, ni mezclas de cemento con adiciones que no hayan sido realizadas en la fábrica de cemento.
Si la capa estabilizada se tiene que disponer sobre terrenos yesíferos o que contengan sulfato de magnesio es conveniente aislarla y, en cualquier caso, utilizar cementos resistentes a los sulfatos o con alto contenido de adiciones (ceniza volante, escoria de horno alto o puzolana).
DOSIFICACIÓN DEL CEMENTO
Si mediante el análisis granulométrico y la determinación de los límites de Atterberg se ha procedido a la clasificación del suelo de acuerdo a la H.R.B. (Highway Research Board o Departamento de Investigación Sobre Carreteras) se puede adoptar la dosificación de cemento de la siguiente tabla:
Tipos de Suelo
Suelo Estabilizado
Suelo-Cemento
A-1 y A-3
3-8
5-8
Límite de A-3 y A-2
5-10
6-10
Límite de A-2 y A-4
7-12
9-14
A-5 y A-6
8-15
No económico
A-7
10-16
Existen dos formas o métodos para estabilizar con cemento Pórtland, una es la llamada estabilización del tipo flexible, en el cual el porcentaje de cemento varía del 1 al 4%, con esto solo se logra disminuir la plasticidad y el incremento en la resistencia resulta muy bajo, las pruebas que se les efectúan a este tipo de muestras son semejantes a las que se hacen a los materiales estabilizados con cal.
Otra forma de mejorar el suelo con cemento, se conoce como estabilización rígida, en ella el porcentaje de cemento varía del 6 al 14%, este tipo de mejoramiento es muy común en las bases, ya que resulta muy importante que éstas y la carpeta presenten un módulo de elasticidad semejante, ya que con ello se evita una probable fractura de la carpeta, ya que ambos trabajan en conjunto; para conocer el porcentaje óptimo a emplear se efectúan pruebas de laboratorio con diferentes contenidos de cemento.
VENTAJAS
VENTAJAS MEDIOAMBIENTALES
El empleo de suelos de la traza evita explotar nuevos yacimientos y disminuye la necesidad de vertederos.
La eliminación del transporte de los suelos disminuye las emisiones de CO2 y otros contaminantes y reduce el daño que generan los combustibles y aceites, así como los impactos colaterales (polvo, erosiones y otros) que provoca sobre las carreteras y flora adyacentes.
Se trata de una técnica especialmente adaptada al empleo de cementos con alto contenido de adiciones. Esto se traduce en una disminución de las emisiones durante su fabricación, al reducir la cantidad de clinker empleado e incorporar subproductos industriales como escorias o cenizas volantes, lo que favorece el cumplimiento del protocolo de Kioto y de los compromisos de desarrollo sostenible.
Es una técnica en frío que consume poca energía. Se disminuyen con ello notablemente la contaminación y las emisiones de vapores nocivos.
VENTAJAS TÉCNICAS
Permite el empleo de los suelos de la traza, mejorando sus características hasta el grado deseado.
Proporciona una elevada capacidad de soporte a la explanada, disminuyendo las tensiones que llegan a las capas del firme, con lo que aumenta la vida de servicio del mismo.
Asegura la estabilidad de los suelos, tanto por la reducción de su sensibilidad al agua y a la helada, como por el incremento de su resistencia a la erosión.
Puede permitir en ciertos casos el paso inmediato del tráfico de obra.
Se disminuyen las molestias por el tráfico de obra y los daños a la red de carreteras adyacentes debido a que se evita transportar los suelos a vertedero y aportar otros nuevos.
VENTAJAS ECONÓMICAS
El empleo de los suelos de la traza y la eliminación del transporte suponen una reducción
importante de costes.
La obtención de cimientos de mayor calidad permite una economía en los firmes y en el volumen total de áridos empleados en los mismos.
Se reducen los plazos de ejecución dado que la estabilización se realiza con equipos de alto rendimiento y que se disminuye el espesor total de la explanada frente a las alternativas con suelos sin tratar.
Las ventajas técnicas y ambientales citadas también se traducen en beneficios económicos.
DESVENTAJAS
Las limitaciones que presenta el suelo-cemento son:
Es un material en el que se producen grietas de contracción, las cuales pueden reflejarse en las capas bituminosas superiores. Sin embargo, es posible controlar considerablemente dicha contracción mediante uso de cementos adecuados, mezclas de cal, cemento y/o técnicas de prefisuración.
Se debe seleccionar el tipo de cemento adecuado y realizar el número de pruebas necesarias antes de pretender construir capas de suelo-cemento con suelos de mediana alta plasticidad.
El tiempo para ejecutar el mezclado, conformación y compactación está limitado por el del fraguado del cemento.
Tiene una reducida resistencia al desgaste. Por ello, las bases de suelo-cemento precisan capas de rodadura de concreto asfáltico, tratamientos superficiales o capas de rodadura de concreto hidráulico,
EFECTOS DE LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CEMENTO
De preferencia, se busca que tenga efectos a largo plazo.
Resultan del fraguado y endurecimiento del conglomerante, los cuales proporcionan a los suelos tratados una resistencia mecánica que puede ser predominante en su comportamiento. El valor de esta resistencia varía ampliamente y es función, principalmente, del tipo de conglomerante y de la dosificación del mismo.
Puede considerarse que el fraguado se desarrolla en tres etapas. La duración de cada una de ellas depende de la naturaleza de cada conglomerante y de la temperatura de la mezcla.
La primera etapa es la del comienzo del fraguado. Comprende el tiempo necesario para disolver y precipitar en forma de gel los silicoferroaluminatos de calcio en el agua libre del suelo. Este tiempo que corresponde al plazo de trabajabilidad, puede variar entre 2, 24 o más horas después de la fabricación de la mezcla. Dicho plazo es muy importante en las operaciones de tratamiento de suelos, puesto que fija un límite máximo a las operaciones de puesta en obra.
La segunda etapa corresponde al desarrollo de la cristalización del gel y por tanto de la rigidización de la mezcla que provoca el fraguado propiamente dicho. Se extiende desde algunos días en los conglomerantes con una proporción importante de clinker hasta algunas semanas en los de fraguado lento, como es el caso de algunos conglomerantes especiales para carreteras.
Finalmente, una vez completado el fraguado, es decir, después de la formación de la casi totalidad de los ferrosilicoaluminatos hidratados, hay un periodo durante el cual continúan creciendo las resistencias mecánicas. En climas templados su duración puede variar, siempre dependiendo de la naturaleza de los conglomerantes, entre algunas semanas y varios meses.
Se puede considerar que el fraguado de los conglomerantes hidráulicos se interrumpe una vez que la temperatura de la mezcla desciende por debajo de cero grados centígrados, lo que puede llevar en algunos casos a tener que repetir el tratamiento.
Los efectos a largo plazo de la incorporación del cemento son diferentes según se trate de suelos granulares o de suelos finos. En los primeros, la acción cementante es similar a la que se produce en el hormigón vibrado, con la diferencia de que el conglomerante no rellena completamente los huecos del esqueleto granular. En las arenas, la cementación se produce únicamente en los
puntos de contacto entre granos. Cuanto más continua sea la granulometría, más reducidos serán los huecos entre partículas, más numerosas y de mayor tamaño las zonas de contacto entre ellas y más eficaz el efecto cementante. Por el contrario, las arenas monogranulares, como las de playa, requieren una dotación elevada de cemento para ser estabilizadas.
En los suelos finos (arcillosos y limosos con plasticidad no elevada), la hidratación del cemento crea unos enlaces resistentes entre las partículas, formando una matriz que envuelve a las mismas. Esta matriz tiene una estructura de panal de la cual depende la resistencia de la mezcla, puesto que las aglomeraciones de partí- culas dentro de las “celdas” tienen una resistencia muy reducida y contribuyen muy poco a la del conjunto. La matriz fija las partículas, de forma que ya no pueden deslizar las unas sobre las otras. Es decir, el cemento reduce la plasticidad y aumenta la resistencia a esfuerzos cortantes. El efecto químico de superficie del cemento reduce la afinidad por el agua y con ello la capacidad de retención de la misma de los suelos arcillosos. Debido a esta menor afinidad por el agua y a la resistencia de la matriz, los cambios de volumen (hinchamientos) provocados por la absorción de agua y los efectos de la congelación y el deshielo disminuyen notablemente.
PROPIEDADES DE LOS SUELOS ESTABILIZADOS CON CEMENTO
La principal diferencia entre los suelos estabilizados con cemento para explanadas y los utilizados en capas de firme radica en el contenido más elevado de cemento de los segundos, lo que se traduce en una superior resistencia mecánica y en una mayor homogeneidad.
Varias características de estos materiales los diferencian de las mezclas con otros agentes estabilizadores:
comportamiento en estado fresco: el proceso de puesta en obra de los suelos estabilizados con cemento, es decir, el conjunto de operaciones entre la mezcla del suelo con el conglomerante y el agua y el final de su compactación, debe realizarse dentro del llamado plazo de trabajabilidad. A medida que se va desarrollando el proceso de hidratación del conglomerante, empiezan a formarse enlaces cristalinos entre las partículas del suelo, los cuales pueden ser destruidos, sin posibilidad de regenerarse, por los esfuerzos originados por la compactación. En consecuencia, ésta debe completarse antes de que se haya formado un número demasiado elevado de enlaces cuya rotura perjudicaría de forma apreciable el comportamiento posterior del material. El intervalo máximo dentro del cual deben efectuarse las operaciones de compactación es lo que se denomina plazo de trabajabilidad. Este concepto no debe confundirse con el tiempo de fraguado del conglomerante, que lógicamente es uno de los parámetros
que lo influencian, pero no el único; la naturaleza del suelo, el contenido de agua o la temperatura de la obra son también otros factores a tener en cuenta. Asimismo no hay que pensar que una vez transcurrido el plazo de trabajabilidad, la mezcla no pueda ser compactada, al menos durante un cierto tiempo; pero se corre el peligro de romper una gran cantidad de enlaces, con una significativa caída posterior de las resistencias mecánicas; y por otra parte, a medida que se va rigidizando el material, más difícil resulta su compactación
estabilidad inmediata: la posibilidad de apertura inmediata a la circulación una vez compactada la mezcla depende del tipo de suelo, aumentando con el porcentaje de elementos gruesos. Ello es debido a que a medida que crece el mismo, la estabilidad que adquiere el esqueleto mineral es cada vez mayor, con lo que las deformaciones originadas por los vehículos no son suficientes para romper los en- laces entre las partículas. Con ello no se interrumpe el proceso de ganancia de resistencias mecánicas, responsable del comportamiento a largo plazo del material
capacidad de reparto de cargas: la capacidad de reparto de cargas a las capas inferiores del cimiento del firme y de disminución de las tensiones en este último dependen asimismo de la naturaleza del suelo (cuanto mayor sea la proporción de elementos granulares, más elevado será el módulo de elasticidad) y del contenido de cemento.
dependencia de las resistencias mecánicas frente al grado de compactación alcanzado: a título de ejemplo, un descenso del 5 % en la densidad realmente obtenida puede traducirse en una disminución del 25 % en las resistencias mecánicas. Por ello, en todos estos materiales es esencial que, durante su puesta en obra, el proceso de compactación se realice de forma eficaz.
Evolución de resistencias: en suelos estabilizados con cemento en las que se exigen resistencias, éstas tienen un desarrollo rápido, alcanzando ya a edades tempranas unos valores apreciables. Ésta es una diferencia fundamental frente a las mezclas tratadas con otros tipos de conglomerantes de fraguado y endurecimiento más lento (escorias de alto horno, cenizas volantes, puzolana, algunos conglomerantes hidráulicos para carreteras), cuyas resistencias a 7 días son muy pequeñas. La curva de evolución depende del contenido de adiciones activas del cemento utilizado: cuanto mayor es
éste, mayor es la relación entre las resistencias a 7 y 90 o 180 días. A un año las resistencias pueden considerarse estabilizadas.
comportamiento a fatiga: la curva de fatiga de los suelos estabilizados con cemento tiene una pendiente muy reducida. Ello se traduce en que una pequeña disminución de las tensiones, provocada por ejemplo por un ligero sobre espesor, aumenta mucho el número de repeticiones admisibles, y en consecuencia la durabilidad de la capa tratada; por el contrario, un débil aumento de las tensiones, debido por ejemplo a una pequeña merma de espesor, trae consigo una fuerte reducción en dicha durabilidad.
fisuración por retracción térmica: debido a su rigidez, con módulos de elasticidad en algunas ocasiones elevados, y a su coeficiente de dilatación térmica (del orden de 10-7/ºC), las tensiones que se originan en un suelo estabilizado con cemento como consecuencia de las variaciones de temperatura pueden llegar a rebasar las de rotura del material en el período en que la explanada se encuentra al descubierto, antes de comenzar a extender las capas del firme. En consecuencia, la fisuración a intervalos más o menos regulares de los suelos estabilizados con cemento es un hecho inherente a su naturaleza, y no debe ser atribuida en general a fallos de ejecución de los mismos. Por otra parte, y debido al gran espesor del firme, estas fisuras no se reflejan en general en la superficie. Por ello no es preciso recurrir a la prefisuración de las capas estabilizadas de las explanadas;
resistencia a la abrasión: los suelos estabilizados con cemento tienen unas características de resistencia a la abrasión que los hacen inadecuados para soportar el paso frecuente de vehículos pesados sobre los mismos sin que se produzcan importantes desgastes. Por ello, en el caso de que deban soportar un tráfico de obra importante, debe disponerse encima de ellos un tratamiento superficial o como mínimo una capa de árido de cobertura sobre el riego de curado.
SUELO-CEMENTO EN LA ACTUALIDAD
Existen diversas razones que actualmente determinan un mayor uso del suelo- cemento en la construcción de estructuras de pavimentos. Tanto consultores como entidades encargadas
de la administración vial coinciden en que la demanda de un transporte de calidad requiere una mayor durabilidad de los materiales, estructuras de pavimentos y sub-rasantes. Para lograr la misma, es indispensable contar con estructuras de pavimento con capas de elevada capacidad de soporte y resistentes a los agentes atmosféricos.
Otra razón para usar suelo-cemento en carreteras es el aspecto de protección del medio ambiente, el cual cada vez impone mayores limitaciones para la búsqueda y explotación de bancos de materiales, práctica por muchos años utilizada. Finalmente, la posibilidad de reducir espesores de capas que conforman la estructura del pavimento sin disminuir la capacidad estructural de la misma, es uno de los logros que pueden obtenerse de las características que tiene el suelo-cemento, debido a su relativamente elevado módulo de elasticidad. Esto se traduce en ahorros de materiales y aumento en los rendimientos de construcción. Debido a las múltiples ventajas que tienen los suelos tratados con cemento, diversos países lo aplican de forma casi generalizada.
Por ejemplo, en El Salvador, el 95% de los caminos rurales pavimentados tiene base de suelo-cemento y en los últimos 10 años, el 100% de nuevas vías urbanas e interurbanas y pisos industriales tienen bases de suelo-cemento.
3.3.2 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL
¿QUÉ ES LA CAL?
Iniciaremos por indicar que para el tratamiento de suelos se puede utilizar cal viva (óxido de calcio – CaO), cal hidratada (hidróxido de calcio – Ca[OH]2 ) o una lechada de cal.1
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.
Otras veces el término “cal” es utilizado para referirse a los subproductos del proceso de fabricación de cal (como el polvo de horno de cal), que, aunque contienen alguna cal reactiva, generalmente sólo posee una fracción del óxido o el contenido de hidróxido del producto fabricado. En este manual, "cal" significa cal viva, cal hidratada, o la lechada de cal hidratada.
La cal es el único producto capaz de proveer una variedad de beneficios, puede ser utilizada en suelos inestables para:
Secar Modificar Estabilizar
LA QUÍMICA DEL TRATAMIENTO CON CAL
Cuando la cal y el agua se añaden a un suelo arcilloso, comienzan a ocurrir reacciones químicas casi inmediatamente.
1. Secado: Si se usa la cal viva, la misma se hidrata inmediatamente (i.e., químicamente se combina con el agua) y libera calor. Los suelos se secan, porque el agua presente en el suelo participa en esta reacción, y porque el calor generado puede evaporar la humedad adicional. La cal hidratada producida por estas reacciones iniciales, posteriormente reaccionará con las partículas de arcilla (como se discute posteriormente). Estas reacciones subsecuentes, lentamente producirán un secado adicional porque las mismas reducen la humedad, mejorando el soporte. Si se utilizan la cal hidratada o la lechada de cal hidratada, en lugar de la cal viva, el secado ocurre sólo por los cambios químicos del suelo, que reducen su capacidad para retener agua y aumentan su estabilidad.
El tratamiento con óxido de calcio transforma las características y el desempeño de
suelos arcillosos. En estas imágenes se muestra el mismo suelo antes (izquierda) y
después (derecha) de haberlo tratado con cal viva).
2. Modificación: Después de la mezcla inicial, los iones de calcio (Ca++) de la cal hidratada emigran a la superficie de las partículas arcillosas y desplazan el agua y otros iones. El suelo se hace friable y granular, haciéndolo más fácil para trabajar y compactar. En esta etapa, el Índice de Plasticidad del suelo disminuye drásticamente, así como lo hace su tendencia a hincharse y contraerse. El proceso, llamado "floculación y aglomeración", generalmente ocurre en el transcurso de horas.
3. Estabilización: Cuando se añaden las cantidades adecuadas de cal y agua, el pH del suelo aumenta rápidamente arriba de 10.5, lo que permite romper las partículas de arcilla. La determinación de la cantidad de cal necesaria es parte del proceso de diseño y se estima
por pruebas como la de Eades y Grim (ASTM D6276). Se liberan la sílice y la alúmina y reaccionan con el calcio de la cal para formar hidratos de calcio-silicatos (CSH) e hidratos de calcio-aluminatos (CAH). CSH y CAH que son productos cementantes similares a aquellos formados en el cemento de Portland. Ellos forman la matriz que contribuye a la resistencia de las capas de suelo estabilizadas con cal
Cuando se forma esta matriz, el suelo se transforma de un material arenoso granular, a una capa dura relativamente impermeable, con una capacidad de carga significativa. El proceso se inicia en unas horas y puede continuar durante años, en un sistema diseñado correctamente. La matriz formada es permanente, duradera, y significativamente impermeable, produciendo una capa estructural que es tan fuerte como flexible.
La adición de cal a un suelo con una fracción de partículas finas relevante modifica su comportamiento por una conjunción de sus propiedades. En este apartado se describen los mecanismos que intervienen en este proceso, que se resume fundamentalmente en dos manifestaciones típicas:
a) Una modificación de la textura del suelo; y b) Un incremento de su resistencia.
Estos hechos se producen en mayor o menor medida según el tipo de suelos, su granulometría y mineralogía, y el de la cal empleada, en función de su riqueza y actividad. Su justificación está en la alteración del estado natural de ambos materiales por las reacciones químicas que se producen en la interacción de sus estructuras.
Si bien es cierto que no existe unanimidad entre los técnicos sobre la totalidad de los mecanismos que intervienen en la reacción entre la cal y las partículas arcillosas de un suelo, sí es posible describir, y así se hace a continuación, los esquemas más generalmente aceptados y que justifican el comportamiento final obtenido.
En la mezcla de la cal con un suelo arcilloso se producen dos tipos de reacción que se pueden agrupar según sus manifestaciones en:
a) Una modificación “inmediata” de las condiciones de granulometría, textura y compacidad originada por:
* Floculación de las partículas de arcilla
* Reducción de la cantidad de agua adsorbida por la arcilla.
b) Una mejora de las características resistentes del suelo a medio y largo plazo, producida por: * Reacción puzolánica de cementación
* Carbonatación
Amén de por los tipos de efectos, es posible definir una serie de diferencias entre los grupos citados que justifican la clasificación expuesta.
Una primera diferencia entre ambos grupos de mecanismos es, como se ha citado, su carácter temporal, ya que las modificaciones de textura son casi inmediatas, mientras que las resistentes suelen conllevar un plazo mayor.
La segunda diferencia estriba en su generalización. Mientras que el primer grupo de modificaciones es aplicable a casi todos los tipos de suelos arcillosos, las mejoras de resistencia se producen en mayor o menor medida, o incluso no llegan a ocurrir, en función de la mineralogía y tipos de suelos.
Finalmente, la tercera gran diferencia es la necesidad de cal precisa para alcanzar los efectos. En la mayoría de los casos la frontera o delimitación a partir de la cual se inicia el segundo grupo de mecanismos es la cantidad de cal. Puede decirse que las primeras dosis de cal van destinadas a la modificación de la textura y granulometría, y que para mejorar las características resistentes es preciso superar esta primera proporción. En caso contrario, no existirá adición activa o cal que facilite dichas reacciones.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS DIFERENTES MÉTODOS DE APLICACIÓN DE CAL
La técnica de estabilización con cal utilizada en un proyecto debería estar basada en múltiples consideraciones, tales como la experiencia del contratista, la disponibilidad de equipo, la ubicación del proyecto (rural o urbano) y la disponibilidad de una fuente cercana y adecuada de agua.
Cal hidratada en polvo
Ventajas: Puede ser aplicada más rápidamente que la lechada. La cal hidratada en polvo puede ser utilizada para secar arcillas, pero no es tan eficaz como la cal viva.
Desventajas: Las partículas hidratadas de cal son finas. De modo que el polvo puede ser un problema y este tipo de uso generalmente es inadecuado en áreas pobladas.
Cal viva en seco
Ventajas: Económica porque la cal viva es una forma más concentrada de cal que la cal hidratada, conteniendo de 20 a 24 por ciento más de óxido de calcio "disponible".
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.
Desventajas: La cal viva requiere 32 por ciento de su peso en agua para convertirse en cal hidratada y puede haber pérdida adicional por la evaporación significativa debido al calor de hidratación. Se debe tener cuidado con el empleo de la cal viva para asegurar una adecuada adición de agua, fraguado y mezcla. Estos mayores requerimientos de agua pueden plantear un problema de logística o costos en áreas remotas sin una fuente cercana de agua. La cal viva 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
Ventajas: 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.
Desventajas: 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.
PROBLEMAS DE ESTABILIZACIÓN EN CARRETERAS
Ejemplo de fracaso de pavimento por suelos
Comparación de arcilla plástica sin tratar y arcilla tratada con cal, después de la mezcla inicial
y fraguado.
ESTABILIZACIÓN O LA MODIFICACIÓN DE SUBRASANTES (SUBBASES) Y CAPAS DE BASE
Descripción detallada de los pasos constructivos.
ENTREGA
Cal viva o hidratada seca
La cal viva o la cal hidratada seca, puede ser entregada en bolsas de papel o bien en pipas. Cuando se transporta en pipa es común que, cada carga de cal seca entregada en un sitio de trabajo lleve una boleta certificando la cantidad de cal a bordo. Además, algunas entidades requieren la certificación de las características químicas de la cal entregada.
Ocasionalmente, la cal viva se entrega en el sitio en camiones de volteo. En este caso, requieren cubiertas de lona fuerte para prevenir la pérdida de polvo durante el tránsito.
Lechada de cal
La lechada de cal puede ser producida a partir de la cal viva o de la cal hidratada. Puede ser entregada desde una planta de mezcla central o puede producirse en el lugar de trabajo. Las instalaciones de preparación de la lechada deberían ser aprobadas por el ingeniero de proyecto. Independientemente de la ubicación, la lechada producida a partir de cal viva está caliente debido a que la reacción química entre la cal viva y el agua es exotérmica. Las lechadas elaboradas por la mezcla de cal hidratada y agua no se calientan.
La lechada puede prepararse en un tanque de mezcla, con agitación para mezclar la cal y el agua utilizando paletas deflectoras, aire comprimido, y/o bombas de recirculación. Los mezcladores utilizados en el lugar, usualmente manejan de 20 a 25 toneladas de cal viva a la vez.
Tanques mezcladores para preparar la lechada de cal en el lugar.
ESTABILIZACIÓN DE SUBRASANTE (O SUBBASE)
1. Escarificación y pulverización inicial
La subrasante puede ser escarificada a la profundidad y ancho especificados y luego pulverizarse parcialmente. Es deseable remover los materiales que no sean suelos y que sean mayores que 3 pulgadas, como troncos, raíces, césped y piedras.
Una subrasante escarificada o pulverizada ofrece más área de contacto superficial de suelo para la cal en el momento de la aplicación.
En el pasado era una práctica común escarificar antes de la aplicación. Hoy en día, debido a la disponibilidad de mezcladores superiores, la cal a menudo es aplicada sin la escarificación. Los camiones de cal también pueden transitar la carretera con más facilidad si está compactada, más bien que escarificada, en particular sobre suelos mojados. La principal desventaja de este procedimiento, sin embargo, se da por factores meteorológicos; cuando la cal es colocada sobre una superficie lisa, hay mayor posibilidad para la pérdida debido al viento y al proceso, particularmente si la mezcla no se realiza de inmediato. Para eliminar la pérdida hacia los lados, se puede construir un pequeño camellón, utilizando material del camino.
Si la cal viva se descarga en “volcanes”, es deseable una superficie lisa, de modo que se alcance una aplicación uniforme con la hoja de la motoniveladora. Por lo anterior, el suelo no debería ser escarificado antes de que la cal viva sea aplicada de esta manera.
Equipo: motoniveladora con escarificador o escarificador de discos; estabilizadora de suelos para pulverización inicial.
Escarificación antes de aplicación de cal
2. Aplicación de la cal Cal viva
Existen dos formas en que la cal viva seca puede ser aplicada. La primera, los camiones autodescargables o trailers pueden distribuir la cal viva neumática o mecánicamente a la anchura completa del camión. Debido a que el flujo de cal viva granular y sin triturar es más controlable que el de la cal hidratada, resulta una práctica común usar camiones con aplicadores incorporados.
Para el empleo de una barra de extensión neumática, la cal viva se muele (¼ " por 0) para fluir libremente. Aplicador mecánico sobre la parte posterior de un camión o trailer, o una caja separada puede manejar la cal viva menos fina - comúnmente hasta ½ " de diámetro. La subbase puede ser escarificada para este tipo de uso. Este uso trabaja bien en condiciones de suelo muy mojadas.
Para asegurar que se aplica la cantidad correcta de cal, se puede colocar sobre el suelo una bandeja o un paño de área conocida, entre las ruedas del camión que esparce la cal. La bandeja o paño, donde se recolectó la cal, se pesa para verificar que la cantidad de cal es la correcta. Otro método para aplicar la cal viva, es por gravedad, dejándola caer formando un camellón. Es usual utilizar camiones graneleros con sistemas de compuertas inferiores neumáticas. Una motoniveladora se utiliza, ocasionalmente, para esparcir la cal viva. Se puede utilizar cal hasta un tamaño de ¾ ". Este método requiere que el área sea nivelada y esté suficientemente seca, para que el suelo no se ahuelle bajo las llantas del camión, lo que evitaría la extensión uniforme. Es difícil de medir la proporción de aplicación de cal cuando se extiende utilizando una
motoniveladora. El mejor método es marcar un área en la cual se extenderá una cantidad conocida de cal y observar la motoniveladora para asegurar que es extendida uniformemente.
Cal hidratada seca
La cal hidratada debe ser uniformemente extendida en el porcentaje especificado desde camiones adecuadamente equipados. Un aplicador aprobado es preferible para la distribución uniforme. La cantidad de cal hidratada seca puede ser medida usando el mismo método que descrito encima para la cal viva.
La cal hidratada seca no debería ser extendida en condiciones de viento debido al polvo excesivo. En condiciones de viento, en áreas pobladas, o en zonas adyacentes al tráfico de vehículos pesados, la aplicación de lechada o una aplicación adecuada de cal viva pueden reducir al mínimo los problemas relacionados con el polvo.
Equipo para aplicación de cal hidratada seca: Para envíos en camión, los camiones con tanques autodescargables son los más eficientes para transportar y esparcir la cal porque no se requiere ningún manejo adicional. La descarga se realiza neumáticamente o por uno o varios transportadores de tornillo. La extensión puede ser lograda por una paleta mecánica colocada en la parte posterior u otros dispositivos.
Si se utiliza transporte de palangana, los mismos deben ser cubiertos para prevenir el polvo durante el viaje al lugar de aplicación y durante la extensión de la cal. La extensión, al utilizar transporte de palangana, deberá realizarse ajustándole un esparcidor mecánico en la parte posterior. No se recomienda descargar la cal en solo “volcán” para realizar posteriormente la extensión con motoniveladora.
Lechada de cal
En este uso, el suelo generalmente es escarificado y la lechada se aplica con camiones distribuidores. Debido a que la cal en la forma de lechada está menos concentrada que la cal seca, a menudo se requiere dos o más pasadas para proporcionar la cantidad especificada de sólidos de cal. Para prevenir la pérdida y la consecuente no uniformidad en la distribución de cal, la lechada se mezcla con el suelo inmediatamente después de cada pasada.
La proporción real utilizada depende del porcentaje de cal especificada para el tipo de suelo, y el porcentaje de sólidos de cal en la lechada. Los sólidos en la lechada generalmente están en el rango entre 30 y 35 por ciento, aunque existe la tecnología para aumentar los sólidos arriba del 40 por ciento para reducir el número de pasadas de por los camiones esparcidores. Los sólidos contenidos en la lechadada (y, por consiguiente, la cantidad de cal disponible) pueden ser fácilmente medidos en los tanques de mezcla o en los camiones, utilizando un dispositivo de
gravedad específica. Una vez que se conoce el contenido de sólidos de la lechada, las cargas pueden ser extendidas sobre áreas de extensión conocida para asegurar la cantidad correcta de aplicación.
Equipo para aplicación de la lechada: Se recomiendan camiones distribuidores con recirculación, capaces de mantener la lechada en la suspensión. Si el tiempo de viaje es corto, se pueden utilizar camiones sin bombas de recirculación. La extensión desde los camiones de tanque se lleva a cabo por gravedad o por barras de rocío a presión. Los distribuidores de presión son preferidos porque ellos proporcionan una aplicación más uniforme.
3. Mezcla preliminar y aplicación de agua
Se requiere una mezcla preliminar para distribuir la cal dentro del suelo y para pulverizar inicialmente el suelo para preparar la adición de agua que inicie la reacción química para la estabilización. Esta mezcla puede iniciar con la escarificación. La escarificación puede realizarse aún sin mezcladoras modernas. Durante este proceso o inmediatamente después, el agua deberá agregarse.
Adición de agua después de aplicación de cal seca.
Las estabilizadoras de suelos (Ej. CAT SS-250B) pueden ser utilizadas para asegurar la mezcla cuidadosa de la cal, el suelo, y el agua. Con muchas estabilizadoras de suelos, el agua puede añadirse al tambor de mezcla durante el proceso. Este es el método óptimo de adición de agua a la cal (cal viva o hidratada) y al suelo seco, durante la mezcla preliminar y la etapa de riego. Independientemente del método usado para la adición de agua, es esencial que la cantidad de agua agregada sea la adecuada para asegurar la completa hidratación y llevar el contenido de humedad del suelo 3% arriba del óptimo, antes de la compactación.
Para hidratar la cal viva seca, puede ser necesaria agua adicional. El equilibrio de la operación de estabilización con cal viva es similar al obtenido utilizando cal hidratada o lechada de cal. Un requerimiento clave cuando se utiliza cal viva es asegurar la completa hidratación previa a que la mezcla sea completada y se inicie la compactación. Es recomendable realizar verificaciones puntuales, utilizando una pala, para asegurar que en el suelo no han quedado remanentes de cal viva sin hidratar. Si se observara cantidades excesivas de cal viva (por ejemplo, debido a una pobre distribución), se requerirá agregar más agua y una mezcla adicional necesarios para asegurar la completa hidratación y un proyecto de estabilización de calidad.
Para asegurar que la sección estabilizada tiene la profundidad correcta, se pueden cavar pequeños agujeros al azar y el suelo puede ser rociado con un indicador de pH, tal como la fenoftaleína. La fenoftaleína cambia de transparente a rosada entre un pH de 8.3 y 10. El cambio en color indica que el suelo en proceso de estabilización se encuentra en el límite inferior de pH requerido. Se pueden requerir otros indicadores de pH que cambian de color a niveles más altos (por ejemplo, fenoftaleína), si existieran sospechas de que la mezcla de cal y suelo es inadecuada.
En donde están siendo estabilizadas arcillas muy plásticas, generalmente es necesario mezclar la capa de arcilla y cal en dos etapas, permitiendo un lapso de 24 a 48 horas de período de fraguado. Durante este período de fraguado, la arcilla se hace friable de modo que la pulverización pueda ser fácilmente lograda durante la mezcla final.
Después de que se completa la mezcla, la capa tratada con cal debe ser afinada y compactada ligeramente con un Rodo para reducir al mínimo la pérdida por evaporación o mojado excesivo debido a posibles lluvias durante el fraguado.
Equipo: Estabilizadora de suelos, camión de agua y “rodo patas de cabras” o compactador neumático.
4. Período de fraguado
La mezcla de suelo y cal debería fraguar suficientemente para permitir la reacción química que cambia las propiedades del material. La duración de este período de fraguado debería basarse en el juicio de ingeniería y depende del tipo de suelo. El período de fraguado, comúnmente, es de 1 a 7 días. Después del fraguado, el suelo deberá ser mezclado, de nuevo, antes de la compactación. Para suelos con Índice de Plasticidad bajos, o cuando el objetivo es el secado o la modificación, por lo general, el fraguado no es necesario.
5. Mezcla final y pulverización
Para alcanzar la estabilización completa, es esencial una adecuada pulverización final de la fracción arcillosa y la completa distribución de la cal dentro del suelo. La mezcla y la pulverización deberían continuar hasta que el 100 por ciento de material pase el tamiz de 1 pulgada y al menos el 60 por ciento de material pase el tamiz No. 4.
Si se utiliza la cal viva, es esencial que todas las partículas estén hidratada y que hayan sido mezcladas. En el caso de cal viva seca, después del mezclado final, antes de la compactación, inspeccione visualmente el suelo para asegurar que la mezcla ha sido alcanzada. El uso de cal viva seca, a menudo produce manchas ligeras en el suelo, que no merecen atención ya que no son partículas sin hidratar. Si existe la duda, coloque una muestra de estas partículas en agua. Si no se disuelven, son partículas inertes. Si se disuelven, son partículas de cal, que indican que se requiere mezcla adicional antes de la compactación final.
Se puede requerir agua adicional durante la mezcla de final (antes de la compactación) para llevar el suelo a un 3 por ciento arriba del contenido de humedad óptima del material tratado.
Si hay certeza que los requerimientos de pulverización se pueden completar durante la mezcla preliminar, entonces los pasos de fraguado y mezcla final (pasos No. 4 y No. 5) pueden eliminarse.
Equipo: Estabilizadora de suelos.
6. Compactación
La mezcla suelo-cal deberá ser compactada a la densidad requerida por la especificación, comúnmente, al menos, al 95 por ciento de la densidad máxima obtenida en el ensayo AASHTO T99 (Proctor estándar). El valor de densidad deberá basarse en la curva Proctor de una muestra representativa de la mezcla de suelo-cal – y no del suelo sin tratar.
La compactación deberá iniciar inmediatamente después de la mezcla final. Si esto no es posible, los retrasos de hasta cuatro días no deberían ser un problema si la mezcla es ligeramente compactada y se mantiene húmeda mientras se lleva a cabo la compactación. Para demoras más largas, puede ser necesario incorporar una pequeña cantidad adicional de cal en el suelo.
Equipo: para asegurar una compactación adecuada, el equipo deberá adaptarse a la profundidad de la capa. La compactación puede lograrse utilizando compactador pesado de neumáticos o rodo vibratorio o una combinación de la “pata de cabra” y un compactador ligero “de almohadilla”. Comúnmente, la superficie final de compactación se completa utilizando un rodo liso.
Compactadores: pata de cabra (arriba), almohadilla (abajo).
7. Curado final
Antes de la colocación de la siguiente capa de subbase (o capa de base), se debe permitir que la subrasante compactada (o subbase) se endurezca hasta que camiones pesados operar sin ahuellar la superficie. Durante este tiempo, la superficie de suelo tratado con cal deberá mantenerse húmeda para ayudar al incremento de resistencia. Esto se conoce como "curando" y puede hacerse de dos maneras:
(a) curado húmedo, que consiste en mantener la superficie en una condición húmeda a través de un rociado leve y compactándolo cuando sea necesario.
