UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Influencia de la dosificación de relave minero sobre la compactación y la capacidad de soporte de un material granular para el afirmado de la
carretera Carata-Motil
AUTOR: Br. Perez Milla, Marcio Antonio Br. Rodríguez Gutiérrez, Josep Eduardo ASESOR: Dr. Alvarado Quintana, Hernán Martin
TRUJILLO – PERU
2021
TESIS
PARA OBTENER EL T Í TULO PROFESIONAL DE
INGENIERO CIVIL
i DEDICATORIA
Este presente trabajo está dedicado a mis padres: Carlos y Silva, por creer en mí y apoyarme en todo momento de mi vida universitaria.
A mis tíos por su apoyo emocional y económicamente, durante todo el proceso de la etapa universitaria.
A mis abuelos y primos que siempre festejan mis logros.
Josep Rodríguez Gutiérrez
ii DEDICATORIA
A Dios
Por ser parte de mi vida y estar conmigo siempre, porque si a alguno le faltara la sabiduría, él se la dará, pues Dios da a todos generosamente sin despreciar a nadie.
A mis padres
Por el gran esfuerzo que hicieron para brindarme una educación y por haberme dado siempre su apoyo incondicional y por siempre haber confiado en mí.
A mis hermanos
Por todo el tipo de apoyo que me brindaron en esta etapa de mi vida y por los consejos que me brindaron.
A los profesores
Por todas las enseñanzas brindadas, las cuales me servirán mucho en mi vida profesional.
A mis Amigos
Por los diferentes apoyos que me brindaron y por haber estado conmigo en momentos de incertidumbre, y como olvidar a aquella persona que estuvo conmigo brindándome todo su
apoyo incondicional y a quien siempre le estaré agradecido, Yamali C.
Marcio Perez Milla
iii AGRADECIMENTOS
Un agradecimiento especial al Ingeniero Hernán Alvarado Quintana, por su apoyo incondicional, por asesorarnos y brindarnos el laboratorio donde pudimos realizar los ensayos correspondientes para nuestra tesis. Asimismo, también nombrar al Ingeniero Jorge Barrantes Villanueva por estar siempre dispuesto a brindar apoyo en la realización de los ensayos.
Y a los compañeros del grupo de investigación por la amistad brindada.
iv
RESUMEN
La presente investigación se realizó con el objetivo principal de determinar la influencia que tiene el empleo de relave minero sobre la compactación y capacidad de soporte de un material granular usado para afirmado. Para ello se extrajo 500 Kg de material de cantera “Cerro Pilato”
que se ubica a 7 km de la carretera Carata Motil.
Se realizaron ensayos de caracterización del material granular de cantera y del relave minero (análisis granulométrico por tamizado, humedad natural, límites de Atterberg y clasificación de suelos según SUCS y AASHTO), posteriormente se realizó la prueba de compactación mediante el ensayo de próctor modificado al 0%, 10%, 20%, 30%, con el fin de obtener la humedad optima y la densidad de máxima compactación, se realizó doce ensayos de próctor modificado.
Luego se realizó las pruebas de índice de CBR, para tal ensayo se realizó tres repeticiones para la muestra patrón y para las muestras que fueron combinadas con relave minero. En total se realizaron doce ensayos de CBR.
Después de realizar los ensayos se llegó a la conclusión que, mediante el uso de relave minero, el porcentaje óptimo de ralve minero al material granular es de 20%, con lo cual se obtuvo una densidad máxima seca de 2.113 Kg/cm2 y un valor de 69.00 % del CBR al 100%.
Finalmente, se verifica que el relave minero tiene el potencial suficiente para lograr mejorar la compactación y la capacidad de soporte (CBR) del material granular de la cantera “Cerro Pilato” la cual se pude utilizar para un afirmado.
Palabras clave: Relave minero, estabilización, combinación, suelos y cantera.
v
ABSTRACT
The present investigation was carried out with the main objective of determining the influence that the use of mining tailings has on the compaction and bearing capacity of a granular material used for affirmation. For this, 500 kg of material was extracted from the “Cerro Pilato” quarry located 7 km from the Carata Motil highway.
Characterization tests were carried out on the granular quarry material and the mining tailings (granulometric analysis by sieving, natural humidity, Atterberg limits and classification of soils according to SUCS and AASHTO), later the compaction test was carried out by means of the modified proton test. 0%, 10%, 20%, 30%, in order to obtain the optimum humidity and maximum compaction density, twelve modified protrusion tests were carried out.
Then the CBR index tests were carried out, for this test three repetitions were carried out for the standard sample and for the samples that were combined with mining tailings. In total twelve CBR trials were performed.
After carrying out the tests, it was concluded that, by using mining tailings, the optimum percentage of mining tailings to the granular material is 20%, with which a maximum dry density of 2,113 Kg / cm2 was obtained and a value from 69.00% of CBR to 100%.
Finally, it is verified that the mining tailings have sufficient potential to improve the compaction and bearing capacity (CBR) of the granular material from the “Cerro Pilato”
quarry, which can be used for affirmation.
Key words: Mine tailings, stabilization, combination, soils and quarry.
vi
INDICE
RESUMEN ... iv
ABSTRACT ... v
CAPÍTULO I ... 1
1.1. Realidad problemática ... 1
1.2. Formulación del problema ... 6
1.3. Hipótesis ... 7
1.4. Justificación ... 7
1.5. Objetivos de la investigación ... 8
1.5.1. Objetivo general ... 8
1.5.2. Objetivos específicos ... 8
CAPÍTULO II ... 9
2.1. Antecedentes ... 9
2.2. Bases teóricas y científicas ... 15
2.2.1. Relaves Mineros... 15
2.2.2. Tipos de depósitos de relave Mineros ... 15
2.2.3. Generación de relaves ... 16
2.2.4. Impacto de los Relaves en el Perú ... 18
2.2.5. Manejo de relaves en el Perú ... 19
2.2.6. Posibles usos alternativos de relaves ... 20
2.2.7. Estabilización de suelos ... 21
2.2.8. Tipos de Estabilización de Suelos... 21
2.2.9. Estabilización a nivel de Base... 22
2.2.10. Criterios Geotécnicos para Establecer la Estabilización de Suelos ... 22
2.2.11. Estabilización por Combinación de Suelos... 25
2.2.12. Estudio de Canteras de Suelo ... 25
2.2.13. Propiedades de suelo que se tendrá en cuenta: ... 26
2.2.14. Carretera ... 33
2.2.15. Partes de la Carretera ... 33
vii
2.2.16. Clasificación de las carreteras ... 34
2.2.17. Tráfico de diseño... 37
2.2.18. Índice medio diario anual... 37
2.2.19. Tasa de crecimiento del tráfico (r) ... 38
2.2.20. Número de Repeticiones de Ejes Equivalentes ... 40
2.2.21. Ámbito de estudio ... 42
CAPÍTULO III ... 46
3.1. Objeto de estudio ... 46
3.1.1. Universo ... 46
3.1.2. Población... 46
3.1.3. Muestra ... 46
3.2. Métodos y técnicas ... 47
3.2.1. Diseño experimental ... 47
3.3. Procedimiento Experimental ... 50
3.3.1. Extracción del Relave Minero ... 51
3.3.2. Caracterización del Relave Minero ... 51
3.3.3. Extracción de muestras de subrasante existente y material granular de cantera. 52 3.3.4. Ensayos de laboratorio de muestras de subrasante y material granular de cantera 53 3.3.5. Conformación de Probetas ... 59
3.3.6. Ensayos de comportamiento del material granular con adición de relave minero 60 3.3.7. Diseño del afirmado ... 61
CAPITULO IV... 63
4.1. Ensayo de laboratorio de subrasante y material granular ... 63
4.1.1. Subrasante ... 63
4.1.2. Material Granular de Cantera... 64
4.1.3. Material de relave minero ... 67
viii
4.2. Ensayo del material granular con adición de relave minero ... 68
4.2.1. Ensayo de Próctor Modificado... 68
4.2.2. Ensayo de valor relativo de soporte (CBR) ... 69
4.3. Diseño estructural del afirmado ... 74
CAPITULO V ... 76
5.1. Conclusiones ... 76
5.2. Recomendaciones ... 77
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 78
APENDICE A ... 82
APENDICE B ... 127
APENDICE C ... 137
APENDICE D ... 142
ANEXO I ... 147
ix ÍNDICE DE TABLA
Tabla 2.2.1. Clasificación de suelos según Tamaño de Partículas ... 27
Tabla 2.2.2. Índice de Plasticidad ... 28
Tabla 2.2.3. Clasificación de suelos según Equivalente de Arena ... 29
Tabla 2.2.4. Clasificación de suelos según Índice de Grupo ... 30
Tabla 2.2.5. Correlación de Tipos de Suelo AASHTO-SUCS ... 31
Tabla 2.2.6. Categoría de Subrasante ... 32
Tabla 2.2.7. Factores decrecimiento acumulado (Fca) ... 39
Tabla 2.2.8. Nomenclatura de Ejes equivalentes según el MTC ... 41
Tabla 2.2.9. Relación de cargas por eje para determinar Ejes Equivalentes (EE) para afirmados, pavimentos flexibles y semirrígidos. ... 41
Tabla 2.2.10. Ubicación geográfica ... 42
Tabla 2.2.11. Distancia y accesibilidad... 43
Tabla 2.2.12. Población beneficiaria ... 44
Tabla 3.1.1. Dimensiones de probetas cilíndricas ... 47
Tabla 3.2.1. Niveles de variable de estudio ... 47
Tabla 3.2.2. Matriz de diseño experimental ... 48
Tabla 3.2.3. Matriz de consistencia... 49
Tabla 3.3.1. Coordenadas de la planta minera y el pueblo de motil ... 51
Tabla 3.3.2. Coordenadas del Material Granular de Cantera ... 53
Tabla 3.3.3. Gradación de las muestras de ensayo... 59
Tabla 3.3.4. Cantidad de material para la conformación de probetas para el ensayo de próctor modificado ... 59 Tabla 3.3.5. Cantidad de material para la conformación de probetas para el ensayo de CBR60
x Tabla 3.3.6. Ensayos para evaluar el comportamiento del material granular con adición de
relave ... 60
Tabla 3.3.7. Factor de corrección del mes de diciembre del 2020 ... 61
Tabla 3.3.8. Tasas promedias de crecimiento anual de tráfico ... 62
Tabla 4.1.1. Resumen de ensayo de la subrasante ... 63
Tabla 4.1.2. Categorías de la subrasante ... 64
Tabla 4.1.3. Resumen de ensayos del material granular ... 65
Tabla 4.1.4. Comparación de las propiedades del material granular ... 67
Tabla 4.1.5. Resultados de la caracterización del relave ... 67
Tabla 4.2.1. Máxima densidad y humedad óptima ... 68
Tabla 4.2.2. Valores de densidad máxima y valor relativo de soporte (CBR) del material granular con adición de relave ... 69
Tabla 4.3.1. Espesor de afirmado (periodo de 10 años) ... 75
Tabla B. 1. Proyección del tráfico... 135
Tabla B. 2. Ejes equivalentes ... 136
Tabla C. 1. Tráfico vehicular promedio diario semanal (2020)... 138
Tabla C. 2. Tráfico vehicular promedio diario semanal ... 139
Tabla C. 3. Ejes equivalentes del tramo Carata-Motil. ... 140
Tabla C. 4. Clasificación según volumen de tránsito. ... 141
Tabla D. 1. Datos obtenidos del ensayo de Próctor Modificado... 142
Tabla D. 2. Prueba de normalidad del ensayo de Próctor Modificado ... 142
Tabla D. 3. Datos obtenidos del ensayo de CBR. ... 143
Tabla D. 4. Prueba de normalidad del ensayo de CBR ... 143
Tabla D. 5. Experimento unifactorial de Proctor Modificado en el programa SPSS. ... 144
Tabla D. 6. Experimento unifactorial de CBR en el programa SPSS. ... 145
xi INDICE DE FIGURAS
Figura I. Esquema de procesamiento de cobre ... 18
Figura II: Sistema Índice de Clasificación para Estabilización de Suelos propuesta por Winterkornes ... 22
Figura III: Proceso para la Identificación del Tipo del suelo... 24
Figura IV: Ubicación Provincial y Distrital ... 42
Figura V: Procedimiento experimental... 50
Figura VI: Ubicación del depósito de relave minero ... 51
Figura VII. Ubicación del material de Cantera “Cerro Pilato” ... 52
Figura VIII: Lectura de penetración de carga ... 58
Figura IX: Curva granulométrica del material granular de cantera ... 66
Figura X: Curvas de compactación del material granular con adición de relave ... 69
Figura XI: Curva de densidad seca vs Valor Relativo de Soporte (CBR) ... 70
Figura XII: Índice del CBR del material granular con adición del relave para cada nivel de compactación ... 72
Figura XIII: Variación CBR en función del porcentaje de relave ... 74
Figura XIV: Clasificación vehicular ... 140
Figura II. 1. El estado de la carretera es polvoriento y un ... 147
Figura II. 2. Acopio del relave minero ... 147
Figura II. 3. Potencia de la cantera de relave ... 147
Figura II. 4. Deslizamiento de relave ... 147
Figura II. 5. Contaminación del rio Moche ... 147
Figura II. 6. Excavación de la calicata al km 0+500 ... 148
Figura II. 7. Calicata a lado izquierdo de la ... 148
Figura II. 8. Contenido de humedad de la subrasante ... 148
Figura II. 9. Análisis granulométrico ... 148
xii
Figura II. 10. Ensayo de próctor ... 148
Figura II. 11. Ensayo de CBR de la subrasante ... 148
Figura II. 12. Análisis granulométrico ... 148
Figura II. 13. Cuarteo del material ... 148
Figura II. 14. Humedad relativa de la cantera ... 148
Figura II. 15. Conformación de la muestra de material granular con la adición de relave minero en sus distintos porcentajes ... 148
Figura II. 16. Materiales para la realización del próctor modificado ... 148
Figura II. 17. Materiales para la realización del ensayo de CBR ... 148
Figura II. 18. Medición del hinchamiento ... 148
Figura II. 19. Ensayo de compresión de la probeta ... 148
1
CAPÍTULO I
1. INTRODUCCIÓN
1.1. Realidad problemática
El estudio geotécnico sirve como herramienta para la obtención de parámetros del terreno las cuales son necesarias para a realizar cualquier proyecto de construcción. Tanto en obras como: carreteras, edificaciones y otros, se debe tener en cuenta el reconocimiento de las propiedades de los estratos del suelo y las interacciones con respecto a la obra proyectada, ya que en muchos casos estos no cuentan con las propiedades adecuadas que se necesitan para ejecutarla. Sin embargo, existen diversos tipos de tratamiento que tienen por principio básico la mejora del suelo mediante la modificación de sus parámetros geotécnicos, como, por ejemplo, mezclar dicho suelo con otro suelo de mejores propiedades, empleando aditivos entre otros (GEOSAND, 2021).
En la zona de Silicia, Italia, los suelos se caracterizan por tener propiedades de un suelo blando con alta compresibilidad, baja resistencia al corte y además una baja capacidad de carga. Por causa de estos factores la construcción de carreteras de bajo volumen plantea formidables retos de solución de estos problemas. la construcción en un suelo blando ha dado lugar a muchos problemas, por lo que se dio paso a las investigaciones que estén dirigidos a evaluar mejor las técnicas de estabilización para optimizar el rendimiento de las carreteras de bajo tránsito y su sostenibilidad. (Praticò & Puppala, 2015).
El uso de residuos sólidos industriales con alto contenido en SiO2 y Al2O, como las cenizas de carbón con soda caustica en estado sólido mezclado con el suelo a menudo es estudiado en el país de Colombia como un estabilizador para aumentar la capacidad de soporte de carga, la cual permite mejorar las condiciones de rendimiento en carreteras de tráfico de bajo volumen. (Balaguera, Carvajal, Arias, Albertí, & Fullana-i-Palmer, 2018).
2 En las carreteras de bajo volumen de tránsito no se tiene una capa superficial que protejan a los materiales subyacentes, ya que en su lugar solo tienen una capa de material sin unir, por ello en Chile, para proteger los materiales subyacentes, se emplean materiales como cemento, cal, betún y cloruros como agentes estabilizadores en porcentajes de 1 al 5% de agregados para mejorar la resistencia al corte y cohesion y a la vez para condiciones especificas de clima y trafico. (González, Chamorro, Barrios, & Osorio, 2018).
En Perú, (Pérez, 2012) evaluó el comportamiento de un suelo arcilloso añadiendole ceniza volante de la central termoélectrica de Ilo y cemento en diferentes concentraciones como agente estabilizante en la subrasante y sub base de pavimentos . El resultado que obtuvo fue un incremento del valor del CBR hasta en un 51% para una combinacion de 27% de ceniza volante y 3% de cemento, además encontró una disminución de los efectos de expansion, gravedad específica, la plasticidad y humedad de la arcilla.
En Puno, (Callata & Camala, 2017) evaluarón la estabilizacion de suelos plástico- arcillosos para base en carreteras no pavimentadas aplicando aditivos Perma-Zyme y cloruro cálcico. El resultado indicó una reducción del indice de plasticidad en un 11%, una expansión en 36%, un incremento de la densidad máxima del proctor modificado hasta en 0.89% y el valor de soporte relativo (CBR) en 24%. Esto se consiguió debido a que las enzimas aceleran el proceso de aglutinamiento de las arcillas disminuyendo la relación de vacios.
Actualmente en Motil, distrito de Agallpampa no se han encontrado trabajos de investigación científica sobre estabilización de carreteras utilizando relaves mineros o cualquier otro tipo de estabilizador de suelos.
En cuanto a la normatividad, las instituciones que controlan y regulan los temas de estabilización de suelos para carreteras son, el Ministerio de Transportes y Comunicaciones, que ha publicado la Norma técnica de estabilizadores químicos (MTC E
3 1109, 2004) y de Estabilización de Suelos y Taludes (RNE CE.020, 2012). Asimismo, cabe mencionar que las normas anteriormente mencionadas son Normas Técnicas Peruanas (NTP) que están basadas a su vez en las normas de la Asociación Americana de Oficiales de Carreteras Estatales y Transportes (AASHTO) y las normas de la Asociación Americana de Ensayo de Materiales (ASTM). (Alvarado & Guerra, 2018).
Orobio, (2011) encontró que con la aplicación de cloruro de calcio en porcentajes que varían entre 0.5% y 2.5% en el afirmado produce un aumento en la capacidad de soporte y tambien en la resitencia a la abrasión. Así mismo demostró que este aditivo es altamente efectivo para la mitigación de la emisiones de polvo en las vías. Sin embargo la durabilidad de la vía de tránsito se ve afectada por el tipo de tránsito y de las condiciones climáticas que existen en el lugar.
Burak & Vefa, (2016) encontraron que aplicando cal en porcentajes de 3 y 6% en suelos arcillosos que tienen un alto contenido de agua de 10%, además, considerando refuerzos geosinteticos; las propiedades del suelo no mejoraron. Sin embargo al incrementar la cal en un 12% encontraron una mejora significativa de las propiedades del suelo.Con lo que se comprobó que el adicionado de cal y luego el refuerzo de geósinteticos producen mejores resultados en este tipo de suelo.
Pereira, Emmert, Miguel, & Gatto, (2018) encontraron que un suelo laterítico (suelos tropicales) con la aplicación de cal en un 2% como agente estabilizante, estos mejoraron significativamente su rendimiento mecánico, así mismo, aumentó su resistencia mecánica y su capacidad de carga.
Según las investigaciones realizadas y las cuales han sido citadas en los párrafos anteriores, existen diferentes formas para estabilizar materiales subyacentes a las capas de rodadura de las carreteras, las cuales se pueden realizar a través de procedimientos mecánicos e incorporación de productos químicos, naturales o sintéticos. Así mismo, existen una
4 variedad de técnicas como la adición de otro suelo, la incorporación de uno o más agentes estabilizantes.
Sin embargo, pese a muchos estudios que se han realizado sobre estabilización en carreteras, los relaves mineros aún no han sido estudiados con mucha generalidad como material estabilizante de una carretera de tercera clase a nivel de base. Por ello es necesario seguir investigando sobre la utilización de los relaves, ya que al ser el Perú un país con alta producción del sector minero cuenta con toneladas de relaves mineros las cuales afectan también el medio ambiente.
La empresa Liplata con RUC 20513574691 ha realizado un proyecto de estabilización en la provincia de Virú utilizando cloruro de Magnesio 250+ en forma líquida, la cual permite mejorar propiedades del afirmado, otorgándole mayor resistencia a la compresión y mejorando la estabilidad del suelo (Alvarado Ruiz & Guerra Morillo, 2018).
Así mismo la empresa Manzi con RUC 20601788447, es una empresa que brinda servicios en construcciones de obras, como la estabilización de suelos y otros. Esta empresa para estabilizar materiales granulares de subbase y base en carreteras de tercera clase o afirmado emplea el producto Perma Zyme, la cual es un producto 100% biológico de estabilización y solidificación de suelos, utilizando métodos tradicionales de construcción.
Para un país las carreteras son fundamentales para su desarrollo y crecimiento ya que estos posibilitan el transporte de personas y productos de diferentes tipos. Así mismo la red de carreteras permiten satisfacer las necesidades básicas de educación, trabajo, alimentación y salud. Por ello, para un país es estratégico desarrollar su sistema vial porque es el único modo con el que logra satisfacer no solo la obligación de viajar, sino también las necesidades esenciales de la población. (Rivera, 2015).
5 En el Perú el 85.6% de las carreteras a nivel departamental son no pavimentadas, (MTC, 2019), especialmente las carreteras que están alejadas de las costas (la sierra y la selva) y son estas carreteras las que no se encuentran en un estado óptimo.
Sin embargo, como es sabido, entre los principales factores que intervienen en la vida útil de una carretera se encuentran las propiedades o estructuras granulométricas del suelo, el tráfico vehicular y las condiciones climáticas.
Actualmente existen muchas carreteras que presentan problemas de inestabilidad a nivel de base u otras capas subyacentes que lo conforman, lo cual provoca que las carreteras se encuentren en mal estado y a la vez no brinden un buen servicio de transitabilidad.
La causa por la que estas carreteras presentan problemas de inestabilidad a nivel de afirmado es que los materiales granulares que lo constituyen no tienen las propiedades mecánicas adecuadas o por falta de material aglutinante. Otra causa, son las fuertes variaciones climáticas que aceleran el desgaste del material granular del afirmado por efectos de lluvia.
Para corregir estos problemas a nivel de afirmado de las carreteras de bajo volumen de transito se busca una alternativa de solución viable empleando relave minero con un material granular y que cumpla con los estándares de la MTC a través del manual de carreteras.
El motivo por el que se quiere investigar la utilización del relave minero es porque de entre las muchas amenazas que afectan el medio ambiente, estos desechos generados en los procesos de minería o desechados después de que un mineral especifico haya cumplido su propósito o uso previsto, son una preocupación importante. Estos residuos incluyen residuos sólidos, líquidos y gaseosos.
Los estudios sobre como eliminar algunos de estos desechos sólidos, como son los relaves mineros de la manera más beneficiosa, aún no están completamente agotados.
6 Los relaves son mezclas de roca triturada y fluidos de procesamiento de molinos, lavaderos o concentradores que permanecen después de la extracción de los minerales (Ojuri, Adavi,
& Oluwatuyi, 2016), y que con este proyecto de investigación se busca la reutilización de tales desechos, la cual implica su nuevo uso o aplicación en forma original sin ninguna alteración en sus propiedades para un propósito específico que es la estabilización de suelos granulares en carreteras de bajo volumen de tránsito a nivel de afirmado.
En los últimos años ha habido un aumento en la tendencia a utilizar relaves mineros para aplicaciones geotécnicas, siempre que se traten con algunos aditivos, (Ojuri, Adavi, &
Oluwatuyi, 2016). Por ello se busca utilizar los relaves mineros de manera segura para las construcciones de ingeniería civil, con lo que se reducirá los peligros ambientales.
El beneficio que se puede lograr utilizando el relave minero como material estabilizante es que se mejoraría la calidad del afirmado de la carretera la cual a la vez conduciría a una reducción de los costos de operación y mantenimiento.
Las consecuencias de no utilizar el relave minero como material estabilizante es que seguirán generando problemas de contaminación ambiental, ya que estos materiales se encuentran al aire libre. Otra de las consecuencias seria que, si no le damos uso al relave minero, el depósito donde se encuentra almacenado podría colapsar y provocar daños considerables al centro piscícola que se encuentra a faldas de dicho depósito.
Además, la utilización de estos relaves disminuirá los costos de operación y mantenimiento de la carretera Carata-Motil
1.2. Formulación del problema
¿Cómo influye la dosificación de relave minero sobre la compactación y en la capacidad de soporte de un material granular para el afirmado de la carretera Carata -Motil?
7 1.3. Hipótesis
La dosificación de relave minero influye positivamente sobre la compactación y la capacidad de soporte de un material granular para el afirmado de la carretera Carata - Motil.
1.4. Justificación
La razón por la cual se originó la presente investigación fue para dar solución a los problemas de inestabilidad a nivel de afirmado que presentan las carreteras de bajo volumen de tránsito de Motil, distrito de Agallpampa, esto mejorará la transitabilidad de vehículos y la comodidad al viajar a las personas de las comunidades de Carata, Chota y California.
Además, la mejora de las propiedades físico-mecánicas de dicha vía favorecerá a las personas para el traslado de sus productos agrícolas y otros al mercado.
Para la investigación se propone como agente estabilizante al relave minero que es generado por la procesadora Virgen de la Puerta de la universidad nacional de Trujillo. La utilización de este subproducto beneficiará al medio ambiente, ya que se dará valor agregado y utilización al relave que hoy en día botan y acumulan generando un alto impacto ambiental.
Así como los materiales cementantes, geo polímeros y otros, con la presente investigación se busca dar una solución ecológica a los problemas de estabilización a nivel de base que tienen las carreteras.
Así mismo, la presente investigación se realiza con el propósito de aportar al conocimiento existente sobre la estabilización de suelos en carreteras las cuales tienen como principio básico la mejora del suelo mediante la modificación de sus parámetros geotécnico empleando relave minero, cuyos resultados podrán ser sistematizado como una propuesta de solución para los problemas de inestabilidad que sufren las carreteras a nivel de afirmado.
El aporte académico de esta investigación es poner a disposición de futuros investigadores esta información con base para próximos estudios sobre estabilización empleando relave
8 minero la cual contribuirá a tener mayor conocimiento sobre la mejora de las propiedades de suelos granulares en carreteras de bajo volumen de tránsito a nivel de afirmado de manera natural y sostenible. Ya que en nuestro país aún no ha sido implementado el tratamiento de suelos granulares que presentan problemas de inestabilidad a nivel de afirmado en una carretera con la aplicación de relaves mineros.
1.5. Objetivos de la investigación 1.5.1. Objetivo general
• Determinar la influencia de la dosificación de relave minero sobre la compactación y capacidad de soporte de un material granular para afirmado de la carretera Carata-Motil.
1.5.2. Objetivos específicos
• Caracterizar las muestras de la subrasante, relave minero y material de cantera extraídas según la norma técnica peruana, realizar las clasificaciones de los mismos en los sistemas SUCS y AASHTO.
• Comparar los valores de la compactación y capacidad de soporte (CBR) del material granular, variando el porcentaje de relave minero.
• Determinar el espesor de afirmado utilizando relave minero en base a un análisis de tráfico de la carreta en estudio y siguiendo como fundamentación técnica el Manual de Carreteras, Suelos, Geología y Pavimientos-Sección Suelos y Pavimentos.
• Realizar el análisis estadístico apropiado para poder determinar el grado de influencia que ejerce el porcentaje de relave minero sobre la compactación y capacidad de soporte (CBR).
9
CAPÍTULO II
2. MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes
Mahmood & Mulligan, (2010), en el artículo “Investigation Of The Use Of Mine Tailings For Unpaved Road Base”, investigaron el uso de los relaves mineros como materiales de base para la construcción de caminos sin pavimentar (acceso temporal). Tomaron como muestra seis tipos de relaves, ubicados en el Este de Canadá, realizaron pruebas de caracterización seguidas de pruebas de compresión no confinada. Los resultados iniciales indicaron que los relaves soportaron más que la cantidad mínima de tensión normalmente requerida y los coeficientes de capa determinados para cinco de los relaves utilizados coincidieron razonablemente con los valores de diseño de diez departamentos Estatales de Canadá. Los coeficientes de capa determinados indicaron que todos estos relaves fueron adecuados como materiales de base estructuralmente para la construcción de caminos de acceso temporales sin pavimentar.
El aporte de este artículo científico a la presente investigación es fundamentar que; los 6 tipos de relave minero son favorables para poder utilizarlo como material de base en el diseño de carreteras no pavimentadas, ya que cuenta con las propiedades mecánicas necesarias para dicho fin.
De Castro, Cordeiro, Castro, & Fiorotti, (2016), en el paper titulada “Using Ore Tailings Dams as Road Material”, que tuvo como objetivo evaluar la viabilidad de los relaves de mineral de hierro de las presas de relaves como material alternativo para la infraestructura vial, elaboraron mezclas en las que se agregaron aglutinantes químicos como: cemento, cal y escoria de fabricación de acero a los relaves para su uso como agregado en la producción de capas de pavimentación de carreteras. El aglutinante lo añadieron en proporciones de 1%, 2%, 5% y 10% en relación con la masa de relaves secos. Asimismo, evaluaron las curvas de
10 compactación; pruebas de relación de carga de California (CBR) y la expansión, la resistencia a la compresión con curado en cámara de humedad o al aire libre; absorción de agua; y evaluación de la durabilidad de las mezclas. Los resultados mostraron que los límites de Atterberg de las muestras de relaves de mineral de hierro dieron como resultado valores de límite plástico (PL) e índice de plasticidad (PI) como no plásticos (NP). Estas propiedades permiten el uso de tales relaves en capas de infraestructura vial, La curva de compactación de los relaves in natura muestra que el aumento de la energía de compactación en la producción de las muestras da como resultado un aumento de la densidad de los relaves compactados y la reducción del contenido óptimo de humedad. Hubo una disminución en la densidad seca máxima y un aumento en el contenido óptimo de humedad de las mezclas estabilizadas químicamente, en comparación con la muestra in natura del relave minero. Los relaves de mineral de hierro presentan resultados crecientes para el valor de CBR con un aumento en la energía de compactación. El aumento de la cantidad de aglutinante produce un aumento considerable de los valores de CBR. La ganancia de resistencia es directamente proporcional al aumento en el contenido de cemento. Finalmente concluyeron que, La caracterización física y mecánica de las mezclas estabilizadas químicamente muestra que el aumento en la dosificación de las adiciones corresponde a la reducción del peso específico seco máximo aparente y al aumento del contenido óptimo de humedad. Los resultados de las pruebas CBR presentaron valores crecientes, tanto con el aumento del contenido de aglutinante como con el aumento del tiempo de curado para todas las mezclas. La mezcla de cemento al 5% cumple con el parámetro normativo para su uso como capa base para cualquier carga de tráfico. Por el contrario, la mezcla estabilizada con cal al 10% de contenido de aglutinante con curado de 7 días se puede usar como capa base de la carretera para una carga de tráfico promedio, pero el uso de mezclas estabilizadas con escoria se restringe a la capa de subbase. Asimismo, los resultados indican que el cemento es el
11 estabilizador más eficiente para los relaves de mineral de hierro entre los aglutinantes estudiados. El aporte de este paper a la presente investigación es fundamentar que el uso de los relaves mineros es una opción para su uso en diferentes capas de la infraestructura vial.
Ojuri, Adavi & Oluwatuyi, (2016), en el artículo “Geotechnical and environmental evaluation of lime-cement stabilized soil-mine tailing mixtures for highway constuction”, evaluaron las características geotécnicas y el desempeño ambiental de un suelo laterítico mezclado con relaves de minas y tratado con una mezcla de cal y cemento. El cemento de cal se usó como un aglutinante estabilizante en una proporción de 1: 2 para tratar las mezclas lateríticas de relaves de minas (LMT). Las características de resistencia y el impacto ambiental de la mezcla de aglomerado de relaves de minas y suelos lateríticos en la construcción de carreteras fueron evaluadas mediante una serie de pruebas de laboratorio.
La evaluación del desempeño ambiental se determinó mediante la prueba de Lixiviación, realizada en la muestra LMT que determinó la capacidad del aglutinante para retener metales pesados. Los resultados de las pruebas geotécnicas mostraron que las propiedades de la muestra de suelo mejoraron con la adición de relaves y aglomerante de la mina. Hubo un aumento en la densidad seca máxima con una disminución en el contenido óptimo de humedad. También hubo un aumento en la resistencia del suelo laterítico. Concluyendo que la adición de cantidades variables de relaves mineros para reemplazar la muestra, disminuye la fracción fina y los valores límite de Atterberg, con lo que se mejora la calidad del suelo como material de subsuelo en la construcción de carreteras.
De la investigación se puede rescatar que aplicando los relaves mineros en proporciones adecuadas se puede conseguir una mejora en la calidad del suelo en la construcción de carreteras, así mismo muestra que los relaves tienen la capacidad de aglutinamiento para retener metales pesados y de esa manera pueda tener un buen desempeño ambiental.
12 Amit Rai D.B.N. Rao, (2005) en el artículo titulado “Utilisation potentials of industrial/minihg rejects and tailings as building materials”, investigaron los usos potenciales de los diversos residuos que son generados en la India, uno de ellos son los relaves mineros. Ensayaron los relaves mineros con composición de zinc, cobre, oro y hierro al esfuerzo a la compresión, absorción y densidad. Los resultados obtenidos mostraron que en relaves con contenido de zinc el esfuerzo a la compresión fue de 175 kg/cm2, en relaves de cobre 260 kg/cm2 y en relave de hierro 130 kg/cm2. Por lo tanto, el Consejo de Promoción de Materiales y Tecnología de Construcción (BMTPC) de la India estableció los usos potenciales del relave minero de zinc, cobre y hierro en el ámbito de la construcción como relleno de hormigón, en la fabricación de ladrillos y como concreto celular, específicamente el relave de zinc en ladrillos de arcilla quemada por cumplir con los requisitos IS 1077(norma India).
El aporte de este artículo científico a la presente investigación es fundamentar que: los relaves de zinc, hierro y cobre tienen un potencial uso como materias primas secundarias en el ámbito de la construcción. Por lo tanto, se espera que al combinarse con material granular aumente sus propiedades mecánicas de la base de la carretera de bajo volumen de tránsito.
Chipana, (2018), realizó el estudio “Empleo de relave minero para el mejoramiento de las características mecánicas de la carretera Ananea-Suches”, empleando el relave minero en el mejoramiento de las características mecánicas de una carretera a nivel de afirmado. Por lo que realizó el mejoramiento de las propiedades del material mediante una combinación de suelos en porcentaje de peso de dos mezclas: muestra n°01 (30% Relave minero y 70% Cantera Jachatira), muestra n°02 (50% Relave minero y 50% Cantera Jachatira), cumpliendo así con las exigencias según la EG-2013. Los resultados que obtuvo fueron los siguientes, el porcentaje de relave minero incorporado en el suelo de cantera Jachatira a mayor cantidad de relave, menor fue la resistencia al desgaste; el material de
13 cantera le otorgó plasticidad a la muestra combinada. Los resultados de la muestra n°01 fueron las que cumplieron más satisfactoriamente con lo exigido según la norma; el índice de plasticidad fue de 8.31 para la muestra n°01 y 13.2 para la muestra n°02; respecto a la máxima densidad seca la muestra n°01 tuvo un valor de 2.116g/cm3 para una humedad optima de 8.97% a diferencia de 2.097g/cm3 para una humedad optima de 10.17%; y el valor de CBR al 100% de la máxima densidad seca es de 44.1 para la muestra n°01 y 34.2 para la muestra n°02. Concluyendo que con la combinación de 70% de suelo de cantera Jachatira y el 30% de relave minero cumplió con las solicitaciones según la EG-2013.
El aporte de esta tesis a la presente investigación es fundamentar que: el relave minero mejora significativamente características mecánicas a nivel de afirmado, pero que para ello se tiene que tener en cuenta una correcta combinación de material de cantera con relave minero. La mejor combinación de material de cantera y relave minero fue de 70% y 30%
respectivamente.
Ramos & Torres, (2014) En la tesis titulada “Estudio del relave minero de la mina Acchilla del distrito de Ccochaccasa como estabilizante para carreteras de tercer orden a nivel de base”, realizada en Huancavelica-Perú, determinaron la viabilidad del uso del relave minero de la mina Acchilla para la capa base de la carretera de tercer orden tramo:
Ccochaccasa - Tablapampa, ubicado en el distrito de Ccochaccasa. La estabilización de la carretera, consistió en una dosificación en peso de 25% de relave minero y el 75% de material de cantera con proporción en peso de 1 :3. Los resultados obtenidos fueron: un aumento significativo de índice de plasticidad de 7.22%, un aumento significativo en su CBR al 100% de 74.50%, un aumento significativo de su densidad máxima seca al 100%
de 2.16 g/cm3. de acuerdo al ensayo de compactación del próctor modificado. De acuerdo a los resultados obtenidos se llegaron a la conclusión final de la viabilidad del uso de relave
14 minero de la Mina Acchilla, como agente estabilizante en la carretera de tercer orden a nivel de base Tramo: Ccochaccasa - Tablapampa, ubicado en el distrito de Ccochaccasa.
El aporte de esta tesis a la presente investigación es fundamentar que: la utilización del relave minero a una proporción en peso de 1:3 con respecto a material de cantera permite aumentar las características mecánicas a nivel de base, teniendo en cuenta que el relave minero actúa como aglutinante del material granular y en una dosis mayor disminuiría las características mecánicas.
Soto, (2018), en la tesis titulada “Diseño para el mejoramiento a nivel de mortero asfaltico de la carretera tramos: Motil - Nueva California - Carata, Agallpampa, Otuzco, La Libertad”, la cual tuvo como objetivo principal realizar el diseño para el mejoramiento a nivel de mortero asfaltico de la carretera tramos: Motil – Nueva California – Carata. Para ello, para realizar el estudio mecánico de suelos y determinar sus propiedades y características geotécnicas del terreno realizaron siete calicatas, con ello se hicieron ensayos de clasificación según AASHTO y SUCS obteniendo como resultado suelos desde A-1 hasta A-7 (Limos con arena, limo arenoso y arena limoso con un porcentaje de finos). Así también, se hicieron ensayos de CBR a lo largo del trazo de la carretera, con lo que se pudo observar que el tramo de la carretera presenta CBR variable con valores de: 8.43%, 16.32%
y 9.02%, al 95% de la máxima densidad seca y al diseñar la estructura del pavimento se tomó un espesor de subbase igual a 0.18 m, un espesor de base igual a 0.25 m y una carpeta asfáltica de 0.12 m. El aporte de esta tesis a la presente investigación es fundamentar que la subrasante de la carretera en estudio se encuentra según la clasificación de las categorías del MTC en un estado regular a buena.
15 2.2. Bases teóricas y científicas
2.2.1. Relaves Mineros
El relave o cola es un conjunto de desechos tóxicos subatómicos de procesos mineros y de concentración de minerales usualmente constituido por tierra, minerales, agua y rocas. Los relaves contienen altas concentraciones de químicos y elementos que afectan el medio ambiente, por lo que su transporte y disposición final debe ser estables tanto físico, hidrológico y químico en el transcurso del tiempo. (Cárdenas, 2019)
2.2.2. Tipos de depósitos de relave Mineros
Actualmente, existen varios tipos de depósitos de relaves, que varían según la cantidad de agua que acompaña al relave (es decir, la densidad del relave), y según la forma de contenerla. De esta forma existen los siguientes tipos:
Tanque de Relave:
Depósito en el cual el muro es construido por la fracción más gruesa del relave, compactado, proveniente de un hidrociclón (operación que separa sólidos gruesos de sólidos más finos, mediante impulsión por flujo de agua). La parte fina, denominada Lama, se deposita en la cubeta del depósito. (Decreto Supremo N°248, 2007)
Embalse de relave:
Es aquel depósito donde el muro de contención está construido de material de empréstito (tierra y rocas aledañas) y se encuentra impermeabilizado en el coronamiento y en su talud interno. También se llaman embalses de relaves aquellos depósitos ubicados en alguna depresión del terreno en que no se requiere construcción de un muro de contención. (Decreto Supremo N°248, 2007)
Relave Espesado:
16 Depósitos en el que la superficie es previamente sometida a un proceso de sedimentación, en equipo denominado Espesador, que favorece la sedimentación de los sólidos (de manera similar a la limpieza de agua de ríos para hacer agua potable), con el objetivo de retirar parte importante del agua contenida, la que puede ser re-utilizada para reducir el consumo hídrico de fuentes de agua limpia. El depósito de relave espesado se construye de forma tal que impida que el relave fluya a otras áreas distintas a las del sitio autorizado, y contar con un sistema de piscinas de recuperación de agua remanente que pudiese fluir fuera del depósito. (Decreto Supremo N°248, 2007) Relave Filtrado:
Es similar al espesado. Se trata de un depósito en que el material contiene aún menos agua, gracias al proceso de filtrado, para asegurar así una humedad menor a 20%. Esta filtración es también similar a la utilizada en Agua Potable. (Decreto Supremo N°248, 2007)
Relave en pasta:
Corresponden a una mezcla de agua con sólido, que contiene abundantes partículas finas y bajo contenido de agua, de modo que la mezcla tenga una consistencia espesa, similar a una pulpa de alta densidad. (Decreto Supremo N°248, 2007)
Otros tipos:
Existen otros tipos de depósitos de relaves, como por ejemplo los depósitos en minas subterráneas, en rajos abandonados, entre otros. (Decreto Supremo N°248, 2007)
2.2.3. Generación de relaves
En el contexto actual de la minería moderna, los relaves pertenecen al desecho del material producto del procedimiento de flotación, que se realiza para el rescate del mineral. La generación de relaves se da tanto para la minería subterránea o superficial.
Entonces esto se produce cuando a las masas de roca extraídas de la tierra pasan por el
17 proceso de chancado primario, luego por el chancado secundario y luego son depositados en una molienda para finalmente ponerlo en la tanque de flotación para la recuperación propiamente del mineral a extraerse, es en este proceso donde se le agregan sustancias químicas para ayudar a separar los metales entre si y por gravimetría hacer que flote el mineral y que los sedimentos de la flotación son propiamente los relaves. Se toma en cuenta la recuperación del agua de los relaves en su máxima expresión con el fin de utilizarlo nuevamente en la explotación y en planta de proceso.
En la siguiente figura se muestra un esquema de proceso de cobre. Se observa que desde el traslado de la roca fracturada pasa por chancadoras (2 o 3) y moliendas, para luego pasar a una cámara de flotación donde separan el mineral del material bajo en ley, es ahí donde el material en pasta resultante de la extracción del mineral se le denomina relave y es trasladado a los depósitos de relaves. Los grandes volúmenes de almacenamiento de los relaves lo vuelven un componente importante en cuanto a seguridad por su estabilidad y ambiental por la generación de drenaje acido. Sin embargo, los depósitos de relaves son diseñados teniendo en cuenta los criterios ambientales impermeabilizando el basamento y considerando un dique de contención acorde con sus diseños de estabilidad. (Cárdenas, 2019)
18 Figura I. Esquema de procesamiento de cobre
Fuente: (Cárdenas, 2019) 2.2.4. Impacto de los Relaves en el Perú
Es sabido que la actividad minera en el Perú es una de las importantes que generan mayores ingresos para el estado peruano, pero se tiene en cuenta que es una actividad que también genera un mayor impacto ambiental por los procesos que implica la separación de los metales.
Impactos ambientales
Se trata de los efectos que los relaves provocan en los entornos donde se depositan y confinan, lo cual, al hacerse sin las precauciones técnicas recomendadas, puede provocar daños en cuerpos acuíferos (ríos, lagunas, napa freática), suelos y atmósfera.
Tal vez lo más evidente de estos impactos tiene que ver con la degradación del paisaje que origina el relave, el cual, tras su acumulación, desaparece las coberturas vegetales, deseca lagunas y crea montículos que, al “crecer”, conforman colinas que modifican el relieve de un territorio. Sin embargo, los impactos no se limitan a los aspectos físicos del entorno ambiental: sus efectos se extienden hacia las dimensiones químicas de los
19 ecosistemas, con lo cual los recursos naturales se degradan para luego desaparecer, las más de las veces. (Cruzado y Bravo,2010, p. 11)
Impactos sociales
Los impactos sociales se refieren a los efectos que los relaves originan en los modos de vida de las poblaciones humanas, así como en sus condiciones sociales, los que se perturban hasta el punto de generar perjuicios que la sociedad tiene que internalizar. El caso más palpable tiene que ver con los impactos registrados en la salud de las personas.
La composición tóxica de los relaves, su ubicación en espacios adyacentes a poblaciones, agravan el riesgo de que las condiciones de salud de las personas sufran alteraciones altamente nocivas. (...). Otro efecto reconocible, que se articula con los impactos ambientales y económicos, tiene que ver con el hecho de que las fuentes de agua que abastecen a las poblaciones adyacentes a los pasivos ambientales, al verse degradadas, provocan perturbación en el estilo de vida de las personas y resquebrajan las relaciones sociales y las instituciones tradicionales tejidas alrededor del acceso al agua. (Cruzado y Bravo,2010, p. 11)
2.2.5. Manejo de relaves en el Perú
Aunque con algunas excepciones, en el Perú prevalece el tipo de tecnología de disposición de relaves anterior a 1940, es decir que se acumulaban cerca de corrientes de agua. Por ejemplo, la descarga descontrolada de grandes cantidades de relaves (hasta 4,000 ton/día) directamente a los ríos es practicada en algunas operaciones, mientras que la descarga también descontrolada a lagos o playas del mar es también frecuente.
Sin embargo, en la mayoría de las minas se han construido presas de relaves en un intento de mantener a éstos fuera de los arroyos y ríos; dichas presas han tenido un éxito relativo. (Fora, 2017)
20 2.2.6. Posibles usos alternativos de relaves
La selva central es una región fértil que se dedica a la siembra de frutales tropicales y cafeto, una manera técnica, económica y disponible de corregir la acidez de estos suelos agrícolas debido a la deficiencia de calcio y magnesio es aplicando los relaves dolomíticos (mineral compuesto por carbonatos de calcio y magnesio), producto de las operaciones en la Unidad San Vicente de SIMSA. (Cruzado y Bravo,2010, p 14) La dolomita con un grado entre 14 a 20% MgO se usa como acondicionador de suelos, como es el caso de los relaves de la Planta de SIMSA. (Cruzado y Bravo,2010, p 14) La dolomita con un mínimo de 90 % de la CaCO3/MgCO3 combinado y su contenido en sílice que no exceda de 5%, se usa en la industria fertilizante. (Cruzado y Bravo,2010, p 14)
En siderurgia la dolomita se usa como fundente, adicionándola pura al alto horno, en la primera etapa. El fundente (caliza/dolomita) se convierte en la escoria que remueve el sulfuro y otras impurezas. (Cruzado y Bravo,2010, p 14)
Fabricación de vidrio y pinturas. (Cruzado y Bravo,2010, p 15)
Realizando un pretratamiento al relave mediante un lavado para eliminar los residuos de reactivos adheridos a las partículas, es posible aplicarlo en la industria de la construcción civil en forma natural (fabricación de ladrillos), terraje de paredes, acabado de obras, fabricación de adoquines (bloquetas) hexagonales, reemplazando a la arena por el relave. (Cruzado y Bravo,2010, p 15)
Crianza de peces y patos en el vaso de la presa de relaves, (Presa La Esperanza). Todos los elementos como metales disueltos, sólidos en suspensión, están bajo los límites permisibles, y los peces como los patos domésticos son aptos para el consumo humano.
(Cruzado y Bravo,2010, p 15)
21 2.2.7. Estabilización de suelos
La estabilización es un proceso de modificación de las propiedades de ingeniería de suelo in situ o tomado a un costo más bajo y con mejor control de calidad. (Das, 2013) La necesidad de mejorar las propiedades de desempeño de un suelo, ya sea en la etapa de construcción y/o en la de servicio, es un reto permanente en la ingeniería vial para optimizar el uso de los materiales.
La estabilización permite mejorar las características físicas - mecánicas del camino a través de la cohesión de las partículas finas, logrando disminuir la disgregación, aumentar las características resistentes, disminuir la permeabilidad y reducir la polución. Estos componentes actúan exclusivamente sobre una fracción de los suelos pasantes de la malla Nº 4 y especialmente en los limos y arcillas (Brazzini, 2005) Un suelo se considera estable cuando tiene la resistencia suficiente que eviten grandes deformaciones ni excesivo desgaste de servicio por acción de las combinaciones climáticas variables que se puedan presentar, además, debe conservar estas propiedades a lo largo del tiempo. (Rivera, Aguirre-Guerrero, Mejía de Gutiérrez, & Orobio, 2020)
2.2.8. Tipos de Estabilización de Suelos
Una clasificación propuesta según Winterkornes:
Estabilización mecánica, implica el tratamiento y la compactación de los suelos para su densificación.
Estabilización física, comprende en buscar una buena granulometría usando materiales granulares o cohesivos.
Estabilización química encierra los cambios. que se les dan a las propiedades. del suelo mediante el uso de agentes cementantes, ligantes asfalticos.
22 Figura II: Sistema Índice de Clasificación para Estabilización de Suelos propuesta por Winterkornes
2.2.9. Estabilización a nivel de Base
Es el procedimiento de mejoramiento del suelo con la finalidad de hacerlo apto para su uso en bases y sub-bases de carreteras. Este proceso consiste en aumentar la densidad del suelo, para ello se realiza el diseño de base teniendo en cuenta un material de préstamo al cual se realizarán diversos ensayos con el fin de mejorar la subrasante.
Razones por las cuales se realiza la estabulación a nivel de Base:
Cuando el suelo del suelo de la subrasante es desfavorable, o muy areno o muy arcilloso.
En el caso que se tenga materiales para base o sub-base en el límite de especificaciones.
En el mejoramiento de pavimentación, la estabilización se justifica aprovechando los materiales existentes.
2.2.10. Criterios Geotécnicos para Establecer la Estabilización de Suelos Según el MTC (2018):
ESTABILIZACION DE SUELOS
Estabilizacion quimica
Construcción temporal
Estabilizacion de la subrasante
Seleccionese el métodode la estabilizaciónmas deseable con
baseen el tipo de pavimento.
Posibilidad de aplicarsela estabilización , medio ambiente,
economica y tiempo.
establecer los requisitos de comportmiento para
suelos estabilizados Evaluacion de campo Estabilizacion de la
base o subbase
Construcción permanente
Estabilizacion de la subrasante
Estabilizacion de la base o subbase
Estabilizacion mecanica
Construcción temporal
Estabilizacion de la base o subbase
Estabilizacion de la subrasante
Construcción permanente
Estabilizacion de la subrasante
Estabilizacion de la base o subbase
23 Se considerarán como materiales aptos para las capas de la subrasante suelos con CBR
≥ 6%. En caso de ser menor (subrasante pobre o subrasante inadecuada), o se presenten zonas húmedas locales o áreas blandas, será materia de un Estudio Especial para la estabilización, mejoramiento o reemplazo, donde el Ingeniero Responsable analizará diversas alternativas de estabilización o de solución, como: Estabilización mecánica, Reemplazo del suelo de cimentación, Estabilización con productos o aditivos que mejoran las propiedades del suelo, Estabilización con geosintéticos (geotextiles, geomallas u otros), Pedraplenes, Capas de arena, Elevar la rasante o cambiar el trazo vial sí las alternativas analizadas resultan ser demasiado costosas y complejas.
Cuando la capa de subrasante sea arcillosa o limosa y, al humedecerse, partículas de estos materiales puedan penetrar en las capas granulares del pavimento contaminándolas, deberá proyectarse una capa de material anticontaminante de 10 cm.
de espesor como mínimo o un geotextil, según lo justifique el Ingeniero Responsable.
La superficie de la subrasante debe quedar encima del nivel de la napa freática como mínimo a 0.60 m cuando se trate de una subrasante extraordinaria y muy buena; a 0.80 m cuando se trate de una subrasante buena y regular; a 1.00 m cuando se trate de una subrasante pobre y, a 1.20 m cuando se trate de una subrasante inadecuada. En caso necesario, se colocarán subdrenes o capas anticontaminantes y/o drenantes o se elevará la rasante hasta el nivel necesario.
En zonas sobre los 4,000 msnm, se evaluará la acción de las heladas en los suelos. En general, la acción de congelamiento está asociada con la profundidad de la napa freática y la susceptibilidad del suelo al congelamiento. Sí la profundidad de la napa freática es mayor a la indicada anteriormente (1.20 m), la acción de congelamiento no llegará a la capa superior de la subrasante. En el caso de presentarse en la capa superior de la subrasante (últimos 0.60 m) suelos susceptibles al congelamiento, se reemplazará este
24 suelo en el espesor comprometido o se levantará la rasante con un relleno granular adecuado, hasta el nivel necesario. Son suelos susceptibles al congelamiento, los suelos limosos. Igualmente, los suelos que contienen más del 3% de su peso de un material de tamaño inferior a 0.02 mm, con excepción de las arenas finas uniformes que, aunque contienen hasta el 10% de materiales de tamaño inferior a los 0.02mm, no son susceptibles al congelamiento. En general, son suelos no susceptibles los que contienen menos del 3% de su peso de un material de tamaño inferior a 0.02 mm.
La curva granulométrica de la fracción de tamaño menor que el tamiz de 0.074 mm (Nº 200) se determinará por sedimentación, utilizando el hidrómetro para obtener los datos necesarios (según Norma MTC E109).
Para establecer un tipo de estabilización de suelos es necesario determinar el tipo de suelo existente. Los suelos que predominantemente se encuentran en este ámbito son:
los limos, las arcillas, o las arenas limosas o arcillosas. (pp. 107-108)
Figura III:Proceso para la Identificación del Tipo del suelo. Fuente: MTC (2013)
25 2.2.11. Estabilización por Combinación de Suelos
Según el MTC (2013):
La estabilización por combinación de suelos considera la combinación o mezcla de los materiales del suelo existente con materiales de préstamo.
El suelo existente se disgregará o escarificará, en una profundidad de quince centímetros (15 cm) y luego se colocará el material de préstamo o de aporte. Los materiales disgregados y los de aporte se humedecerán o airearán hasta alcanzar la humedad apropiada de compactación y previa eliminación de partículas mayores de setenta y cinco milímetros (75 mm), sí las hubiere. Luego se procederá a un mezclado de ambos suelos, se conformará y compactará cumpliendo las exigencias de densidad y espesores hasta el nivel de subrasante fijado en el proyecto.
El suelo de aporte para el mejoramiento se aplicará en los sitios indicados en los documentos del proyecto, en cantidad tal, que se garantice que la mezcla con el suelo existente cumpla las exigencias de la de las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras (vigente). (p. 113)
2.2.12. Estudio de Canteras de Suelo Según el MTC (2013):
El interés del estudio de las fuentes de materiales de donde se extraerán agregados para diferentes usos principales como mejoramientos de suelos, terraplenes, afirmado, agregados para rellenos, subbase y base granular, agregados para tratamientos bituminosos, agregados para mezclas asfálticas y agregados para mezclas de concreto, es determinar sí los agregados son o no aptos para el tipo de obra a emplear, en tal sentido se requiere determinar sus características mediante la realización de los correspondientes ensayos de laboratorio.
26 Ubicación
Las Fuentes de Materiales o Canteras serán ubicadas en función a su distancia de la obra a realizar (centro de gravedad), considerando para su selección la menor distancia a la obra, siempre que cumplan con la calidad y cantidad (potencia) requeridas por la obra. Para el efecto, se realizará un levantamiento topográfico del recorrido desde el inicio de la cantera a la obra, precisando kilometraje, longitud y tipo de acceso, asimismo se delimitará topográficamente los linderos de las fuentes de materiales o canteras.
Descripción
Las Canteras serán evaluadas y seleccionadas por su calidad y cantidad (potencia), así como por su menor distancia a la obra. Las prospecciones que se realizarán en las canteras se efectuarán en base a calicatas, sondeos y/o trincheras de las que se obtendrán las muestras necesarias para los análisis y ensayos de laboratorio. El estudio de canteras incluye la accesibilidad a los bancos de materiales, descripción de los agregados, usos, tratamiento, tipo, periodo de explotación, propiedad, permisos de uso y otras informaciones.
Muestreo
Para muestreo de los estratos el consultor se ceñirá al Manual de Ensayo de Materiales del MTC vigente, norma MTC E 101.
2.2.13. Propiedades de suelo que se tendrá en cuenta:
Granulometría Según el MTC (2013):
Representa la distribución de los tamaños que posee el agregado mediante el tamizado según especificaciones técnicas (Ensayo MTC EM 107). A partir de la cual se puede
27 estimar, con mayor o menor aproximación, las demás propiedades que pudieran interesar.
El análisis granulométrico de un suelo tiene por finalidad determinar la proporción de sus diferentes elementos constituyentes, clasificados en función de su tamaño. (p. 36) De acuerdo al tamaño de las partículas de suelo, se definen los siguientes términos:
Tabla 2.2.1. Clasificación de suelos según Tamaño de Partículas Tipo de Material Tamaño de las partículas
Grava 75mm-4.75mm
Arena
Arena gruesa:4.75mm-2.00mm Arena media: 2.00mm-0.425mm
Arena fina: 0.425mm-0.075mm
Material fino
Limo 0.075mm-0.005mm
Arcilla Menor a 0.005mm Fuente: MTC (2013)
Elaboración: propia La Plasticidad
Según el MTC (2013):
Es la propiedad de estabilidad que representa los suelos hasta cierto límite de humedad sin disgregarse, por tanto, la plasticidad de un suelo depende, no de los elementos gruesos que contiene, sino únicamente de sus elementos finos. El análisis granulométrico no permite apreciar esta característica, por lo que es necesario determinar los Límites de Atterberg.
Los Límites de Atterberg establecen cuan sensible es el comportamiento de un suelo en relación con su contenido de humedad (agua), definiéndose los límites correspondientes a los tres estados de consistencia según su humedad y de acuerdo a ello puede
28 presentarse un suelo: líquido, plástico o sólido. Estos límites de Atterberg que miden la cohesión del suelo son: el límite líquido (LL, según ensayo MTC EM 110), el límite plástico (LP, según ensayo MTC EM 111) y el límite de contracción (LC, según ensayo MTC EM 112).
Límite Líquido (LL), cuando el suelo pasa del estado semilíquido a un estado plástico y puede moldearse.
Límite Plástico (LP), cuando el suelo pasa de un estado plástico a un estado semisólido y se rompe.
Límite de Contracción (retracción), cuando el suelo pasa de un estado semisólido a un estado sólido y deja de contraerse al perder humedad.
Además del LL y del LP, una característica a obtener es el Índice de plasticidad IP (ensayo MTC EM 111) que se define como la diferencia entre LL y LP:
IP = LL – LP
El índice de plasticidad indica la magnitud del intervalo de humedades en el cual el suelo posee consistencia plástica y permite clasificar bastante bien un suelo. Un IP grande corresponde a un suelo muy arcilloso; por el contrario, un IP pequeño es característico de un suelo poco arcilloso. En tal sentido, el suelo en relación a su índice de plasticidad puede clasificarse según lo siguiente:
Tabla 2.2.2. Índice de Plasticidad
Índice de plasticidad Plasticidad Características
IP<20 Alta Suelos muy arcillosos
IP≤20 IP>7 Media Suelos arcillosos
IP<7 Baja Suelos poco arcillosos plasticidad IP=0 No Plástico (NP) Suelos exentos de arcillo
Fuente: MTC (2013)
29 Elaboración: Propia
Se debe tener en cuenta que, en un suelo el contenido de arcilla, de acuerdo a su magnitud puede ser un elemento riesgoso en un suelo de subrasante y en una estructura de pavimento, debido sobre todo a su gran sensibilidad al agua. (pp. 36 - 37)
Equivalente de Arena Según el MTC (2013):
Es la proporción relativa del contenido de polvo fino nocivo ó material arcilloso en los suelos o agregados finos (ensayo MTC EM 114). Es el ensayo que da resultados parecidos a los obtenidos mediante la determinación de los límites de Atterberg, aunque menos preciso. Tiene la ventaja de ser muy rápido y fácil de efectuar. (p. 37)
El valor de Equivalente de Arena (EA) es un indicativo de la plasticidad del suelo:
Tabla 2.2.3. Clasificación de suelos según Equivalente de Arena
Fuente: MTC (2013) Elaboración: Propia Índice de grupo
Según el MTC (2013):
Es un índice normado por AASHTO de uso corriente para clasificar suelos, está basado en gran parte en los límites de Atterberg. El índice de grupo de un suelo se define mediante la fórmula:
IG = 0.2 (a) + 0.005 (ac) + 0.01(bd)
Equivalente de arena Características
Si EA>40 El suelo no es plástico, es arena Si 40>EA>20 El suelo es poco plástico y no heladizo
Si EA<20 El suelo es plástico y arcilloso
30 Donde:
a = F-35 (F = Fracción del porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 -74 micras). Expresado por un número entero positivo comprendido entre 1 y 40.
b = F-15 (F = Fracción del porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 -74 micras). Expresado por un número entero positivo comprendido entre 1 y 40.
c = LL – 40 (LL = límite líquido). Expresado por un número entero comprendido entre 0 y 20.
d = IP-10 (IP = índice plástico). Expresado por un número entero comprendido entre 0 y 20 o más.
El Índice de Grupo es un valor entero positivo, comprendido entre 0 y 20 o más. Cuando el IG calculado es negativo, se reporta como cero. Un índice cero significa un suelo muy bueno y un índice ≥ a 20, un suelo no utilizable para caminos. (p. 37-38)
Tabla 2.2.4. Clasificación de suelos según Índice de Grupo
Fuente: MTC (2013) Humedad Natural
Según el MTC (2013):
Otra característica importante de los suelos es su humedad natural; puesto que la resistencia de los suelos de subrasante, en especial de los finos, se encuentra
Índice de grupo Suelo de Subrasante
IG>9 Muy pobre
IG está entre 4 a 9 Pobre IG está entre 2 a 4 Regular
IG está entre 1-2 Bueno IG está entre 0-1 Muy bueno
