NANOTECNOLOGIA Y VIALIDAD
Nota: Este documento ha sido generado en el seno de NANOTEK S.A , siendo su contenido producto de más de dos años de investigaciones y ensayos con diferentes suelos seleccionados de Argentina, Chile, Perú y Bolivia.
Agradecimientos:
• Por su invalorable aporte y respaldo técnico, agradecemos infinitamente a la empresa L&F Ingeniería Vial, por haber creido en nuestro proyecto, apoyándonos en cada momento y brindando sus conocimientos durante los cientos de ensayos realizados.
• A los laboratorios de la Dirección de Vialidad de la Provincia de Buenos Aires, Argentina, por su aporte durante los ensayos con suelos arcillosos.
• A los laboratorios de ensayos vialiales correspondientes al Ministerio de Obras Públicas de la República de Chile y al Servicio Prefectural de Caminos de Santa Cruz de la Sierra, Estado Plurinacional de Bolivia.
A todos y cada uno de ellos, nuestro más sincero reconocimiento, y valoración por los enriquecedores aportes técnicos, que hicieron posible este desarrollo nanotecnológico.
Autores:
NANOTEK S.A
Ing. Qco. Gerardo Daniel López
[email protected]
Lic. Horacio Guillermo Tobías.[email protected]
L&F INGENIERIA S.R.L
Ing. Ana María Lujan Leanza.
[email protected]
Ing. Atilio Raúl Firpo.
[email protected]
Introducción:
Se define a la nanotecnología como el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, así como la exploración de fenómenos y propiedades de la materia a nivel de átomos y moléculas.
Nano: prefijo griego que indica una medida (10-9= 0,000 000 001).
Un nanómetro (nm) es una mil millonésima parte de un metro (10-9 m), es decir, se trata de una estructura a nivel y tamaño molecular.
De manera comparativa e ilustrativa se cita que:
Un cabello: 100.000 nm Una bacteria: 150 nm
Una nanopartícula: 3 a 100 nm ADN: 2 nm
Tecnología: conjunto de conocimientos técnicos ordenados científicamente que permiten diseñar y crear cosas de acuerdo a las necesidades o deseos de las personas.
La potencialidad de esta tecnología se sustenta en las observaciones y demostraciones realizadas sobre los nanomateriales, los que interactuando en estos tamaños, sufren fenómenos que responden a leyes de la química cuántica, lo cual les permite adquirir características y capacidades muy diferentes a las que se presentan a nivel macro.
Fenómenos a escala nanométrica (“la nanoescala”)
Cuando se manipula la materia a la escala de átomos y moléculas, ésta se comporta de manera distinta presentando propiedades totalmente nuevas.
El ingreso a desarrollos que responden a la física y/o química cuántica, nos hace trabajar con elementos de mediación no convencionales. En estos tamaños, el elemento de medición ya no es mas la regla ni la balanza, ni el amperímetro, etc, sino: los niveles de energía que los electrones de los átomos desarrollan, en cada momento de su viaje orbital alrededor de su núcleo.
Los números cuánticos atómicos están relacionados con la cantidad de electrones que cada átomo posee, pero el nivel de energía de cada átomo varía con cada posición de sus electrones respecto al núcleo, durante sus viajes orbitales (N° cuántico principal); al momento angular de cada electrón en cada nivel o subnivel de sus órbitas (N° cuántico azimutal); al momento espacial de cada nivel o subnivel de energía (N° cuántico magnético) y por el sentido de giro y el campo magnético individual que cada electrón genera (N° cuántico de spin).
Todas estas variables conjugadas generan la posibilidad de desarrollar un mundo de nuevos productos y procesos donde se puedan aprovechar las característica sobresalientes de estos materiales, en "la nanoescala".
En la nanoescala, la conductividad eléctrica y térmica, el magnetismo, la resistencia, la elasticidad y la reactividad cambian; permitiendo crear materiales, aparatos y sistemas con propiedades únicas, fundamentalmente explotadas gracias a la gran superficie específica de estas partículas, su reactividad y su disponibilidad química y biológica, propias de su tamaño que permiten interactuar con infinitos compuestos naturales o artificiales de iguales dimensiones.
La nanotecnología promete una nueva revolución industrial de la que la construcción vial no será ajena.
En este marco, la incorporación de nanomateriales en productos de uso vial, abre las puertas a nuevos desafíos en el sector.
Aumentar la resistencia a la compresión, alcanzar mayores módulos de resistencia a la flexión, son algunas de las posibilidades que pueden pensarse, y que ocurren gracias a la interacción de los nanocompuestos en las mezclas aditivadas.
Antecedentes
El cemento es considerado un material nanoestructurado natural.
El gel de tobermorita (C-S-H), es una nanopartícula con un diámetro aproximado de 10 nm dependiendo de esta fase mineral, en buena medida, el desempeño del hormigón.
Se espera que con un mejor entendimiento de las propiedades del hormigón a escala nanométrica se puedan fabricar hormigones más resistentes, flexibles y durables.
Es por esto que los investigadores han empezado a trabajar teniendo como meta encontrar combinaciones con el cemento Pórtland que permitan conseguir un material de alto desempeño.
Existen trabajos científicos donde se ensayan y comparan mezclas de cemento portland con el aditivado de nanosílice, nanoalúmina, nanoóxido de hierro, nanotitanio, cenizas de magnetita, nanotubos de carbono y cenizas volantes ultrafinas, procurando evaluar fundamentalmente su desempeño químico y físico-mecánico, versus compuestos tradicionales con agregados de humo de sílice, escorias de alto horno y las cenizas volantes (adiciones micrométricas).
Si bien se ha avanzado bastante en el tema, aún existen ciertos vacíos de conocimiento como:
• definición de los mecanismos de interacción de las nanopartículas con el cemento Pórtland durante el proceso de hidratación
• porcentaje óptimo de adición de nanopartículas y su real aporte a las resistencias mecánicas.
Para el caso de las resistencias a la compresión y a la flexión, se encontró que se ven incrementadas por las adiciones de nanopartículas (nanosilice y nanohierro), pero existen máximos, aún no bien determinados, que provocan un efecto contrario al buscado.
Algunos investigadores expresan como importante resaltar que los incrementos de resistencia con 3% de nanohierro son iguales a los obtenidos con 10% de nanosílice, lo que estaría sugiriendo una mayor efectividad del primero.
Este porcentaje (3% de nanohierro) arrojó un incremento del 26% en la resistencia a 28 días, mientras que con la adición del 10% de nanosílice se obtuvo un incremento de apenas un 3,7% para el mismo período, lo que indica como más aconsejable utilizar menor cantidad de nanohierro para lograr mayores resistencias con la consiguiente reducción de costos.
Se observó que las nanopartículas rellenan los vacios entre los granos del cemento densificando la matriz y disminuyendo la porosidad y permeabilidad de pastas y morteros, lo que resulta en un incremento de la resistencia a la compresión.
La mayoría de los investigadores aceptan que con la incorporación de nanopartículas en un cemento Pórtland, se obtiene una mejoría sustancial en el desarrollo de resistencias a la compresión, sólo que no han podido fijar las variables tiempo y porcentaje de adición recomendada, aunque se inclinan hacia el uso de bajos porcentajes de nanopartículas.
Como complemento a los trabajos realizados, en muchos de los casos se han incorporado nanopartículas a compuestos poliméricos tratando de atender varios aspectos simultáneos que modifiquen el proceso de fraguado, el sellado de espacios intersticiales reduciendo la permeabilidad en el producto terminado, incrementando la resistencia mecánica, la flexibilidad y la resistencia al envejecimiento.
Qué es el Nanohierro?
El nanohierro cero-valente (valencia cero), es un material inestable de altísima pureza, gran capacidad reactiva y enorme superficie específica (450 m2/gr).
Fotografía Nº1: Vista de nanohierro por microscopía electrónica (TEM 200.000 aumentos)
Fotografía Nº2: Vista ocular del nanohierro Gráfico Nº1: Rel.Tamaño / Sup. Específica
En este estado (cero-valente), el hierro está ávido de formar enlaces químicos para encontrar un equilibrio que lo lleve a alcanzar una nueva forma como ferroso o férrico. Este juego de traspaso de electrones es utilizado en la nanotecnología para provocar reacciones y obtener sorprendentes resultados.
Estabilizante nanotecnológico
El producto empleado en estas experiencia es , desarrollado y fabricado por la empresa nanotecnológica argentina: Nanotek S.A.
Este estabilizante químico está compuesto por un polímero (desarrollado ad-hoc) al que se le ha incorporado nanohierro cero-valente.
La incorporación del producto, al mortero suelo-cemento, produce modificaciones en las características fisico-mecánicas y químicas del suelo estabilizado.
Los distintos componentes del estabilizante actúan en el mortero suelo-cemento de la siguiente forma:
Estructura del suelo:
La incorporación del nanohierro y las cadenas poliméricas proporcionan a la estructura del suelo nuevos componentes “secundarios”.
Los suelos están integrados por coloides y compuestos calcáreos que conforman el componente cementicio para la cohesión de la macroestructura..
La presencia de componentes secundarios produce comportamientos diferentes a partir del relleno de los espacios intersticiales, modificando la microestructura.
Para lograr una buena estructura, es imprescindible la generación del más alto contenido de coloides, su posterior floculación y sus cargas iónicas.
Esta actividad permite una mayor saturación ante la presencia de cationes de alto potencial iónico, principalmente del calcio, presente en los ligantes hidráulicos, y el nanohierro aditivado en el producto.
El nanohierro comienza con su proceso de oxidación promoviendo la mayor capacidad de floculación de los coloides electronegativos, gracias al aporte de más cargas positivas por sobre las aportadas por el calcio nativo.
Este parámetro juega un rol fundamental en lo que hace a la estabilidad, la infiltración del agua (menor permeabilidad) y la resistencia mecánica, a nivel macroestructura.
Todo el proceso de fraguado se realiza en presencia de cadenas poliméricas que reducen y regulan la energía liberada durante la reacción exotérmica del cemento portland, moderando el calor desprendido.
Esto redunda en mayores valores de resistencia a la compresión y a la flexotracción, minimizando la posibilidad de formación de microfisuras en la estructura alcanzada.
Química del suelo:
Si bien la composición química de los suelos depende pura y fundamentalmente de la composición de la roca madre, es importante entender la movilidad relativa de los distintos compuestos.
El óxido de silicio ó silicato (SiO2), es un componente muy abundante en el suelo, y también en los ligantes hidráulicos, pero a su vez es el más inactivo químicamente.
Surge un actor silencioso pero de máxima importancia: “la capacidad de desarrollar uniones”, fundamentalmente atada a las uniones electroquímicas entre las partículas que integran la microestructura, y que darán lugar al proceso cementicio natural del suelo.
En el caso de las arcillas, la deshidratación permite el acercamiento de las partículas manteniéndolas más unidas debido a las fuerzas de cohesión entre sólidos (coherencia), originadas por puentes de hidrógeno (atracción entre dos posiciones de hidrógeno) y fuerzas de Van der Waals (atracciones eléctricas entre masas).
La magnitud de este proceso crece cuando existen más componentes finos y por lo tanto con mayor superficie específica.
El nanohierro interactúa en el mismo orden de magnitud estabilizando la materia humificada del suelo nativo, formando estados muy estables que junto a las fuerzas de las arcillas conforman un complejo que perdurará por tiempo prolongado, apoyado por el accionar del polímero submicrónico que dificultará la rehidratación posterior, controlando la expansividad de las arcillas y generando una masa más estable.
La participación de las largas cadenas poliméricas, otorgan flexibilidad y cohesión al mortero, generando grupos funcionales que forman puentes de hidrógeno o atracciones polares, con los materiales del suelo.
Toda esta actividad electroquímica, fuente generadora de uniones, repercute en la cohesión del suelo tratado, provocando un aumento en la resistencia al corte (aumenta las fuerzas internas que dificultan el deslizamiento de suelo sobre suelo, a nivel molecular), efecto que se ve beneficiado por el aumento de energía que le otorga el proceso de compactación mecánica.
ESTABILIZANTE
Como ya se ha descripto, consiste en un estabilizante químico, compuesto por un polímero y nanohierro, de alta pureza, gran capacidad reactiva y elevada superficie específica.
Estas características lo hacen propicio para formar uniones por intercambio iónico permitiendo obtener resultados muy satisfactorios, a menores costos que los métodos tradicionales, mayor vida útil y mínimos costos de mantenimiento.
En esta primera etapa de ensayos se han encarado los siguientes estudios:
Análisis de las Resistencias a Compresión de suelos estabilizados con ligantes hidráulicos
Análisis de Valor Soporte Relativo e Hinchamiento
Análisis de las Resistencias a Compresión de suelos estabilizados con ligantes hidráulicos
Introducción:
Teniendo en cuenta que el cemento es un material nanoestructurado natural, los primeros análisis realizados fueron orientados al estudio de la variación de la Resistencia a la Compresión en diversos tipos de suelos, estabilizados con dicho ligante.
Las primeras pruebas se enfocaron en determinar la cantidad de estabilizante apropiada, así como la concentración de nanohierro.
La mayoría de investigadores aceptan que incorporar nanopartículas en un cemento Portland se obtiene una mejoría sustancial en el desarrollo de resistencias a la compresión.
La discusión está planteada en:
Tiempo en que se producen y finalizan las reacciones,
De acuerdo al efecto de las condiciones hidrometeorológicas, los períodos han oscilado entre 3 y 56 días.
Porcentaje de adición recomendado.
Se acordó iniciar con bajos porcentajes de nanohierro, siguiendo las experiencias de los científicos chinos y suecos.
Teniendo en cuenta lo expresado, se realizaron pruebas con bajos contenidos de en proporciones variables para determinar la óptima.
La premisa además ha sido “emplear una cantidad de cemento no muy elevada, en la medida de lo posible entre 2% y 5%, como máximo, de manera de evitar las fisuras de contracción de fragüe y presentar una alternativa de estabilización iónica aceptable y competitiva económicamente.
El polímero también sufrió transformaciones en su estructura hasta lograr uno que combinara resistencia y flexibilidad.
En esta etapa se han ensayado en mayor cantidad suelos A-4; A-2-4.
Suelos A – 4 :
Los suelos analizados han sido de distintos orígenes.
Se trabajó acorde a las Normas de Vialidad Nacional de la República Argentina.
Se compararon resultados en ensayos usando suelo solo y suelo+SOILTEK ES.
Pruebas de Distintas combinaciones de polímero y nano hierro:
Se presenta un cuadro resumen de las experiencias encaradas con el enfoque descripto.
Las siglas empleadas se detallan a continuación:
s/a = suelo sin aditivo S1 = Soiltek con polímero tipo S1 S2 = Soiltek con polímero tipo S2
Nfe = incorporación del nanohierro sin polímero
S1 con mas Nfe = Soiltek con polímero tipo S1 y mayor concentración de nanopartículas (en este caso se vuelcan los resultados obtenidos de concentración de nano hierro adoptada,
previos análisis sobre este aspecto)
Con estos resultados, reiterados con varios tipos de suelo A-4, se determinó que el aumento de concentración de partículas de nanohierro resultaba conveniente, respecto a la dosificación inicial.
Sin embargo duplicar la cantidad base resultaba contraproducente ya que arrojaba valores menores de resistencias.
Formas de Curado:
Se ensayaron probetas curadas en cámara húmeda y al aire para analizar el efecto de la humedad de hidratación.
Los resultados obtenidos para distintas edades, inicialmente se determinaron para tres y siete días de curado, en condiciones de cámara húmeda (c/ch) y al aire (s/ch).
En ambos casos considerando la inclusión de mayor cantidad de nanohierro según los valores obtenidos anteriormente.
s/a Nfe S1 con mas Nfe
72 hs con cam.hum. 4,2 6,1 6,1
72 hs sin cam.hum. 10,7 12,4 12,6
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0
Rc (kg/cm2
Resistencias a compresión
Con-Sin Cámara Húmeda (3 dias)
Resumiendo algunos valores logrados se informa:
72 hs = 3 dias 168 horas = 7 dias Alternativas c/cam.hum. s/cam.hum. c/cam.hum. s/cam.hum.
s/aditivo 4,2 10,7 4,2 10,7
Nfe 6,1 12,4 6,2 12,4
S1 con Nfe = SOILTEK ES 6,1 12,6 6,3 12,6
Se lograron mayores módulos de resistencia, aún con curado al aire., gracias a la incorporación de nanopartículas de hierro en el mortero de suelo-cemento.
Esto se explica por el proceso de oxidación nanométrica que permite mayor floculación de los coloides que redundan en mayor estabilidad, menor infiltración de agua y en consecuencia mayor resistencia mecánica.
El suelo obtiene además mayor impermeabilidad y cohesión molecular, gracias al soporte polimérico que actúa simultáneamente como aglomerante y sellador.
Los porcentajes de incremento logrados son:
Forma de Curado c/ch s/ch
%
c/ch s/ch
%
c/ch s/ch
%
Tiempo dias 3 7 15
Tiempo horas 72 hs 168 horas 360 hs
Rc (kg/cm2) increm. Rc (kg/cm2) increm. Rc (kg/cm2) increm.
SOILTEK ES 6,1 12,6 107,8% 6,3 12,6 100,0% 10,1 13,4 32,7%
Resultados para distintos suelos A-4
Se detallan resultados para suelos A-4 de distintas zonas y distintos porcentajes de cemento:
Comparativa 2% cemento
SUELOS pasa 200 IP Vida hs Dias Rc SOILTEK ES % increm.
A-4 (Buenos Aires) s/ch 59,0 8,6 168 7 23,4 24,8 6,0%
Comparativa 3% cemento
SUELOS pasa 200 IP Vida hs Dias Rc SOILTEK ES % increm.
A-4 (3) (Buenos Aires) - RP 27
s/ch 48,8 10 72 3 10,7 12,9 20,6%
168 7 14,2 17,9 26,1%
240 10 10,7 15,6 45,8%
528 22 13,5 14,8 9,6%
A-4 (1) (Bs As) s/ch 46,1 6,4 168 7 20,0 25,1 25,3%
A-4 (0) (San Luis) s/ch 35,1 0 72 3 26,0 27,0 3,8%
240 10 22,3 35,4 58,7%
A-4 (1) (Bs As) s/ch 35,1 0 168 7 13,8 25,5 84,8%
A-4 (0) (Santiago del Estero)
c/ch 69,6 0 168 7 9,3 10,3 10,8%
Comparativa 5% cemento
SUELOS pasa 200 IP Vida hs Dias Rc SOILTEK ES % increm.
A-4 (Santiago del Estero) c/ch 69,6 0 168 7 15,0 16,6 10,7%
Para el mismo porcentaje de cemento y la misma cantidad de SOILTEK ES, para 7 dias de curado, se aprecian distintos valores de Rc, a pesar que como tipo de suelo son los mismos.
Comparativa 3% cemento
SUELOS pasa 200 IP Rc SOILTEK ES % increm.
A-4 (1) (Bs As) s/ch 35,1 0 13,8 25,5 84,8%
A-4 (1) (Bs As) s/ch 46,1 6,4 20,0 25,1 25,3%
A-4 (3) (Buenos Aires) _ RP 27 s/ch 48,8 10,0 14,2 17,9 26,1%
A-4 (0) (Santiago del Estero) c/ch 69,6 0 9,3 10,3 10,8%
A mayor pasante 200 es mayor la necesidad de desarrollar uniones entre partículas que integran la microestructura y originan la cementación del suelo.
No obstante siempre se manifiesta un incremento en la Resistencia con el aporte del SOILTEK ES.
Se ensayó también un suelo A-4 (8) de la Provincia de Buenos Aires, con la adición del liquido estabilizante SOILTEK ES y 4% de cemento.
Los valores obtenidos son:
Ensayos Suelo sólo Suelo + 4% CPC + SOILTEK ES
Densidad Máxima 1,525 1,532
Humedad Optima 23,7 25,2
Resistencia a 14 dias 22
El resultado obtenido es de 22 kg/cm2, dicho valor resistente es bueno, teniendo en cuenta que un suelo tipo A-4 necesitaría entre un 6% al 8 % de cemento portland para obtener una resistencia a la compresión simple mayor a 25 kg/cm2, a los 14 días, valor mínimo exigido para una base de suelo cemento.
Suelo tipo A-4 de Santa Cruz de la Sierra:
El Servicio Prefectural de Caminos de Santa Cruz de la Sierra, Bolivia, realizó ensayos con suelos nativos y SOILTEK ES.
El suelo ensayado fue un A-4 (3) de LL = 20,66; LP = 13,77 = IP = 6,89
Los ensayos encarados evaluaron el efecto de las distintas energías de compactación.
Material Densidad (kg/dm3)
T-99 Edad Rc
(kg/cm2) T-99
% increm.
s/ suelo sólo
% increm.
por edad
Densidad (kg/dm3)
T-180
Rc (kg/cm2)
T-180
% increm.
s/suelo sólo
% increm.
por edad A-4 (3) + 2%
cemento 1,918 7 8,86 2,062 10,54
A-4 (3) + 2%
cemento + 1%
SOILTEK ES
1,900 7 10,83 22,2 2,023 10,51 -0,28
1,898 15 18,07 103,95 66,85 2,057 27,96 166,03
A-4 (3) + 3%
cemento + 1%
SOILTEK ES
1,909 7 10,83 22,2 2,058 18,84 78,75
1,916 15 19,46 119,64 79,69 2,056 35,44 88,11
Se indican los porcentajes de incremento en las Resistencias respecto al suelo cemento y entre distintos porcentajes de cemento con SOILTEK ES.
Como es dable esperar se obtuvieron mayores porcentuales para mayor energía de compactación, demostrando la ingerencia del uso de maquinaria con nuevas tecnologías, como son los compactadores con función "vibro".
Resultados para distintos suelos A-2-4
Con suelos A-2-4 se realizaron ensayos de determinación de Resistencia a compresión en forma similar que para los suelos A-4 para suelo sólo y combinaciones de SOILTEK ES.
Los suelos analizados presentaron las siguientes granulometrías:
Pasante tamiz Nro. 10 = 65,5 Pasante tamiz Nro. 40 = 37,0 Pasante tamiz Nro. 200 = 15,6 Suelo A-2-4 (0)
cemento Rc sin
SOILTEK ES Rc con
SOILTEK ES % increm.
3% 9,2 11,3 22,8%
4% 13,3 49,7 273,7%
5% 16,9 51,1 202,4%
El porcentaje de incremento en la Resistencia a la compresión, es variable para los porcentajes de cemento considerados, significativos para 4% y 5%.
En este caso se destaca que para el 4% de cemento y SOILTEK ES se logran mayores porcentajes de incremento en las resistencias, ante una mayor presncia de geles de tobermorita y portlandita, capacs de generar coloides y aglutinar, modificando la micro estructura del suelo tratado.
Para un punto de diferencia en el porcentaje de cemento entre 4% y 5% la diferencia de valores de Rc = 1,4 kg/cm2.
En este caso estamos economizando 1% de cemento con la incorporación de SOILTEK ES.
Suelo tipo A-2-4 de Chile:
Los ensayos encarados por el Laboratorio Nacional de Vialidad de Chile fueron realizados en un suelo de curva media de bases granulares definido por especificaciones para analizar estabilizadores.
El suelo se cortó bajo la malla ¾”.
Se mezcló con dosis de cemento comprendida entre 0% y 3%.
Las dosis de SOILTEK ES fueron variadas entre 0% y 0,13%.
Las RC fueron evaluadas para una densidad correspondiente al 95% de la máxima del ensayo T-180.
Se aplicó curado en ambiente de sala por 7 dias.
% Aditivo %
cemento Probeta Resistencia Deformacion
Nro. kg/cm2 %
0,000 0 13 19,72 2,56
1 9 39,89 1,95
2 5 54,81 0,61
3 1 52,25 2,02
0,0325 0 14 16,77 2,13
1 10 29,19 2,26
2 6 57,26 1,10
3 2 53,50 3,12
0,065 0 15 20,21 1,55
1 11 21,71 2,20
2 7 59,14 3,04
3 3 56,72 0,98
0,13 0 16 23,33 2,04
1 12 34,66 2,78
2 8 48,76 2,45
3 4 69,24 0,73
El primer grupo de probetas se moldearon con 3% cemento sólo sin estabilizante.
El segundo grupo se moldeó con 3% cemento y 50% de la dosis propuesta como adecuada.
El tercer grupo con 3% de cemento y dosis recomendada.
El cuarto grupo se moldeó con 3% de cemento y el doble de la dosis de estabilizador recomendada.
Con la mitad de la dosis recomendada se aprecia una ganancia de resistencia con respecto del suelo sólo a partir del 2% de cemento.
Para el doble de la dosis en general los valores se incrementan.
Respecto a las deformaciones a la rotura, se observa una ganancia apreciable en las dosis de 0,065 para todos los porcentajes de cemento analizados respecto a la referencia sin estabilizante y mejores comportamientos para 1% y 2% de cemento con el doble de dosis de estabilizante 0,13.
Esta mayor flexibilidad es un beneficio aportado por el polímero del estabilizante que hace más dúctil al conjunto.
Análisis de Valor Soporte Relativo e Hinchamiento
Introducción:
Se analizó el comportamiento de suelos plásticos con incorporación de SOILTEK ES sólo y adición del mismo con cal.
Las primeras pruebas se enfocaron para determinar la variación de Valor Soporte Relativo e Hinchamiento.
Resultados para distintos suelos A-7
El primer suelo estudiado fue el A-7-5 (16).
Se lo evaluó sólo, con el agregado del estabilizante SOILTEK ES, con 1,5% de CUV y por ultimo con los dos componentes juntos; se le realizaron ensayos de densidad y resistencia a la penetración, cuyos resultados se informan:
Ensayos Suelo
sólo Suelo + SOILTEK ES Suelo + 1,5 %
CUV Suelo + 1,5 % CUV + SOILTEK ES
Densidad Máxima 1,424 1,424 1,404 1,404
Humedad Optima 24,4 24,2 28,0 28,0
VSR sin embeber 12 12 14 14
VSR embebido 3 2 11 13
Hinchamiento 3,65 4,6 1,25 0,8
De dichos análisis se desprende que el suelo por si sólo, posee características físico mecánicas de baja calidad, en los cuales se observan valores reducidos de VSR luego de 4 días de embebido y un alto porcentaje de hinchamiento.
Con la adición del 1,5% de Cal Útil Vial (CUV) mejoran sus características como es de esperar.
Para los casos en que el suelo se lo corrigió con cal y cal con SOILTEK ES, los parámetros evaluados en las peores condiciones (embebidos), mejoraron notablemente, obteniendo VSR de 13% en esta condición.
Lo mismo sucede con el porcentaje de hinchamiento, con valores de 1,25 % para el suelo-cal y 0,80 % para suelo-cal-SOILTEK ES.
Debe tenerse en cuenta que los valores máximos para que un material pueda ser usado como subrasante, no debe superar el 1% de hinchamiento, ahorrándose de este modo el cambio de suelo, sus costos y su logística.
Este último es un valor optimo para ser utilizado como subrasante y/o sub base inferior de caminos de bajo tránsito
Se repitieron los ensayos para un suelo A-7-6 (33) de las siguientes características:
Pasante tamiz Nro. 4 = 100,0 Pasante tamiz Nro. 10 = 99,2 Pasante tamiz Nro. 40 = 96,0 Pasante tamiz Nro. 200 = 88,1 LL = 62,0; LP = 29,5 = IP = 32,5
Se lo trató con cal al 1,5% de CUV obteniéndose los siguientes valores:
Pasante tamiz Nro. 4 = 100,0 Pasante tamiz Nro. 10 = 97,1 Pasante tamiz Nro. 40 = 73,4 Pasante tamiz Nro. 200 = 53,3
LL = 42,3; LP = 32,5 = IP = 9,7 = la clasificación resultó: A – 5 (4) Suelo sólo Suelo – SOILTEK ES Suelo – cal – SOILTEK ES
A-7-6 (33) A-5 (4)
Proctor
1,328 kg/dm3 1,413 kg/dm3
34,1% 31,1%
VSR embebido= 9% VSR embebido = 8% VSR embebido = 14%
Hinchamiento 1% Hinchamiento 0,6% Hinchamiento 0,5%
Se reitera la mejora lograda para suelos arcillosos.
Resultados para suelos A-4
Se ensayó también un suelo A-4 (8), de características físico-mecánicas buenas.
Se lo estudió sólo y con estabilizante SOILTEK ES.
Ensayos Suelo sólo Suelo + SOILTEK ES
Densidad Máxima 1,525 1,530
Humedad Optima 23,7 23,1
VSR sin embeber 27,0 28,0
VSR embebido 20,0 23,0
Hinchamiento 0,45 0,45
Se observa un 15% de incremento en el Valor Soporte Relativo embebido.
Trabajos Ejecutados:
Calle Esteban de Luca – Malvinas Argentinas - Pcia. Bs.As.
Calle Esteban de Luca – Malvinas Argentinas - Pcia. Bs.As.
Año 2009 Año 2009
La mejora consistió en dosificar un estabilizado granular reutilizando el material existente y adicionando agregado pétreo virgen, arena de fundición, cemento y SOILTEK ES.
El trabajo desarrollado tuvo como objetivo rehabilitar la calle cuya estructura consistía en un suelo mezclado con cascotes, piedras varias, situaciónmuy común en los municipios de la provincia de Buenos Aires y otras localidades de la República Argentina.
Situación previa a los trabajos
Al suelo fino encontrado se le hizo la granulometría y se le determinaron las constantes físicas para hacer la clasificación HRB, tanto al material de la calle como de la subrasante.
Se detallan los valores:
GRANULOMETRIA Y PLASTICIDAD FECHA: JULIO 2009 PROGRESIVA Calle Est. De Luca Calle Est. De Luca
MUESTRA Calicata Calicata
PROFUNDIDAD Subrasante Calle Escombro Calle TAMICES
GRAMOS % GRAMOS %
PESO
TOTAL 180,9 280,5
No.10 RETIENE 2,9 102,6
PASA 178,0 98,4 177,9 63,4
No.40 RETIENE 26,6 50,3
PASA 151,4 83,7 127,6 45,5
No.200 RETIENE 44,6 88,3
PASA 106,8 59,0 39,3 14,0
LIMITES L.L. L.P. L.L. L.P.
PESAFILTRO No. 12 303 16 311
PESAF.+ S.HUMEDO = A 39,24 26,67 48,90 PESAF.+ S.SECO = B 33,73 24,59 43,95 AGUA ( A - B ) = C 5,51 2,08 4,95
TARA PESAFILTRO F 16,65 15,97 15,51 16,26 S.SECO ( B - F ) = E 17,08 8,62 28,44
% HUMEDAD C / E * 100 32,3 24,1 17,4
No. DE GOLPES 28 28
FACTOR 0,985 0,985
LIMITES 32,8 24,1 17,7 0,0
INDICE DE PLASTICIDAD 8,6 17,7
CLASIFICACION H.R.B. A-4 (3) A-1-b (0)/A-2-6 (0)
Como se observa resultó un A- 4 con un IP menor a 10, material adecuado para estabilizar con cemento.
Se decidió emplear los gruesos es decir reciclar lo existente incorporando además arena de fundición y agregado pétreo comercial. Se aglutinó con cemento y SOILTEK ES.
Materiales empleados:
En la realización de la calle de 110 metros de largo, 7 metros de ancho en 0,15 metros de espesor los materiales empleados fueron:
Suelo escombro en una cantidad estimada de 115 metros cúbicos.
Estabilizado granular comercial de granulometria continua y tamaño máximo 19 milimetros en una cantidad estimada de 25 metros cúbicos.
Arena de fundición de granulometria variable (dado su origen) en una cantidad estimada de 10 metros cúbicos.
Cemento Pórtland Minetti compuesto con adición de escoria puzolana en 5,25 toneladas.
SOILTEK ES a razón de 88 litros.
De las cantidades mencionadas resultó la siguiente dosificación:
Suelo escombro = 72% Estabilizado granular = 19%
Arena de fundición = 7% Cemento Portland 2%
Esto redondea el 100% de los materiales pétreos mezclados.
Se adicionó SOILTEK ES = 1kg/m3 Ensayos de Laboratorio:
Acompañando el trabajo de campo se desarrollaron en laboratorio los siguientes ensayos:
Ensayo de compactación para determinar la densidad seca máxima y la humedad óptima del producto obtenido de la combinación de materiales descripta.
ENSAYO DE COMPACTACION
CALLE DE LUCA - LOS POLVORINES – Prov. Bs. As. CAPAS 3
72%SE + 19%GR + 7% AF + 2% CEMENTO PISON 2.5 kg
MUESTRA: Base FECHA: AGOSTO 2009
Punto No.
% Aprox.
agua
Peso Total
Peso Molde
Peso Humedo
Volumen Molde
Densidad Humeda
Densidad Seca
1 6 3767,6 1875,7 1891,9 946,0 2,000 1,889
2 8 3831,0 1875,7 1955,3 946,0 2,067 1,915
3 10 3888,2 1875,7 2012,5 946,0 2,127 1,950
4 12 3923,4 1875,7 2047,7 946,0 2,165 1,931
Punto No.
Bandeja No.
Bandeja + S.Humedo
Bandeja + S.Seco
Tara
Bandeja Agua Suelo
Seco
% de Humedad
1 6 889,5 861,6 388,4 27,9 473,2 5,9
2 28 895,7 853,2 317,8 42,5 535,4 7,9
3 11 808,0 767,7 324,2 40,3 443,5 9,1
4 41 762,1 714,8 323,3 47,3 391,5 12,1
Densidad Seca Máxima = 1,975 kg/dm3 Humedad Optima = 10,5%
En el camino, la relación de densidades obtenida fue de 98%, , es decir, se logró una densidad de 1,936 kg/dm3.
Resistencia a la compresión:
Moldeo de probetas para determinar la resistencia a compresión del producto logrado con la incorporación de cemento y SOILTEK ES.
Se moldearon tres probetas a distintas densidades de compactación con el 1% de SOILTEK ES.
El objetivo fue verificar la variación de resistencia con la densidad.
MATERIALES TIEMPO CURADO
PROB.
Nro.
DENSIDAD PROBETA
FACTOR ARO: 13,998 RESISTENCIA A COMPRESION
SIMPLE LECTURA
DIAL
CARGA
TOTAL SUP. REL. FACTOR ESBELTEZ d = Ps / Vol
kg/dm3 Ld Ct = Ld . Fa
kg cm2 h / φ fe Rc=Ct / Sup . fe
kg/cm2 SUELO ESCOM.
72%
7dias
1 1,916 108 1511,8 80,91 1,16 0,91 17,0
GRANULAR 20% 2 1,950 128 1791,7 80,91 1,16 0,91 20,2
ARENA
FUNDICION 7% 3 1,971 144 2015,7 80,91 1,16 0,91 22,7
1,946 Rc promedio: 19,9
CEMENTO 2%
Se observa que para la densidad en sitio lograda de 1,936 kg/dm3 , la resistencia a la compresión simple (RCS) dio 19 kg/cm2.
PROCESO CONSTRUCTIVO:
Escarificado:
Se utilizó motoniveladora para extraer de la base existente: cascotes, piedras de tamaño mayor a 30 milimetros y algún tipo de basura.
RESISTENCIA A COMPRESION SIMPLE
14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 21,0 22,0 23,0 24,0
1,916 1,950 1,971
Densidades (kg/dm3)
Resistencia a la compresión (kg/cm2)
RESISTENCIA A COMPRESION SIMPLE
Agregado y distribución de arena de fundición
Se pasó rodillo pata de cabra, para romper escombros y arena de fundición.
Incorporación y distribución del agregado pétreo comercial.
Mezcla de los agregados
Incorporación de cemento
Mezcla de los materiales y distribución homogénea
Distribución del aditivo SOILTEK ES
Mezclado en el agua de riego para hidratación de los materiales y desarrollo de las propiedades ligantes del cemento y del estabilizador.
Compactación con rodillo pata de cabra
Vibrando las primeras pasadas para acomodar los agregados pétreos.
Compactación con rodillo liso
Para alisado de la superficie y compactación final.
Control de densidad lograda con el cono de arena
Riego de imprimación con emulsión bituminosa de corte medio.
A razón de 0,8 l/m2 a 1,0 l/m2 de riego total.
Terminación de la superficie y protección del riego.
Distribución de producto asfáltico recuperado (RAP)
Imágenes del estado de la calle Esteban de Luca con el trascurso del tiempo
Agosto 2008 (final de obra)
Octubre 2010 (14 meses)
Julio 2012 (47 meses)
Febrero de 2013 (54 meses)
Sin mantenimiento alguno, se observan las primeros signos de desgaste superficial Tarea requerida: reforzar sólo riego superficial
Química Hewston – Santiago - Chile Química Hewston – Santiago - Chile
Año 2010 Año 2010
Estabilizante SOILTEK ES + cemento + A-2-4 Antes
Después
Mutun - Puerto Suarez – Bolivia Mutun - Puerto Suarez – Bolivia
Año 2010
Estabilizante SOILTEK ES + cemento + A-2- 4 Antes
Después
Codelco - Ventana - Chile Codelco - Ventana - Chile
Año 2010
Estabilizante SOILTEK ES + cemento + sales + molienda de ladrillos
refractarios + agregados de tamaño 20 mm redondeado
Final de obra
DODERO – General Pacheco - Argentina DODERO – General Pacheco - Argentina
Año 2012
Estabilizante SOILTEK ES + cemento + A-4 Antes
Después
Bibliografía:
• Bolt,G.H and Bruggenwert (1978) – Soil Chemestry – Basic elements.
• Brady, N.C. and Weil R.R. (1999) – The Nature and Properties of Soil – Cap. 8 y 9.
• Figueroa, L.R. (1982) – Cárgas Eléctricas
• Van Olphen, H. (1963) – An Introduction to Clay Colloid Chemestry.
• Molina, N.C.; Guevara,D.A. y Fernandez, J (1989) - Fisico Química del Suelo.
• Cátedra de Edafología de la Universidad Nacional de Tucumán.
• Tófalo, R. – Edafología, Fisico-química del Suelo (
www.gl.fcen.uba.ar
)• Universidad Tecnológica de Pereira (2008).
• Hofacker, S; Mager, M y Womelsdorf, H (Bayer Corp) – Zinc Oxide nanoestructured thin Films
www.nanosense.org
www.mrsec.psu.edu
• PORTLAND CEMENT BLENDED WITH NANOPARTICLES JORGE IVÁN TOBÓN
Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia. E-Mail:
[email protected]
. Grupo del Cemento y Materiales de ConstrucciónOSCAR JAIME RESTREPO BAENA
Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia. E-Mail:
[email protected]
. Grupo del Cemento y Materiales de ConstrucciónJORGE JUAN PAYÁ BERNABEU
Profesor Titular, Universidad Politécnica de Valencia – España. E-Mail:
