Erick Alexander Avellaneda Moreno.2016

ANÁLISIS TÉCNICO DEL USO DE SILICATO DE SODIO PARA ESTABILIZACIÓN
QUÍMICA DE SUELOS.” COMO TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PARA OPTAR EL
TÍTULO DE INGENIERO CIVIL.
JOAN CAMILO GALINDO TORRES
COD. 20131279061
ERICK ALEXANDER AVELLANEDA MORENO
COD. 20131279053
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERIA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2016
ANÁLISIS TÉCNICO DEL USO DE SILICATO DE SODIO PARA
ESTABILIZACIÓN QUÍMICA DE SUELOS.” COMO TRABAJO DE
INVESTIGACIÓN PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL.
JOAN CAMILO GALINDO TORRES
COD. 20131279061
ERICK ALEXANDER AVELLANEDA MORENO
COD. 20131279053
Proyecto de grado para optar al título de ingeniero civil
Director
Ingeniero Rodolfo Felizzola Contreras
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERIA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2016
Nota de aceptación
___________________________
___________________________
___________________________
___________________________
___________________________
___________________________
Director del Proyecto
___________________________
Jurado
Bogotá DC., ______________________________________
AGRADECIMIENTOS
Son tantas personas a las cuales debemos agradecer este triunfo, de poder
alcanzar nuestra culminación académica, la cual es el anhelo de todos los que así
lo deseamos.
Definitivamente gracias a Dios, quien ha sido el guía para llegar al camino que
condujo a esta meta y esta gran alegría. Agradecemos en especial a nuestras
familias, por estar presente en cada etapa de nuestra carrera y sobre todo por
confiar en nuestras decisiones para salir adelante.
También, agradecemos al Ingeniero Jhoan Oxiris Quitian por asesorarnos y
ayudarnos a formular la situación problema que género la investigación.
Igualmente al Ingeniero Rodolfo Felizzola Contreras, director y compañero en esta
tesis, quien brindó su apoyo incondicional y abrió nuevos horizontes en nuestra
vida profesional y personal.
Finalmente, damos gracias a todos nuestros amigos y compañeros por compartir
esta experiencia académica y por colaborar cuando fue necesario.
RESUMEN
TITULO: “ANÁLISIS TÉCNICO DEL USO DE SILICATO DE SODIO PARA
ESTABILIZACIÓN QUÍMICA DE SUELOS.”
COMO TRABAJO DE
INVESTIGACIÓN PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL.
AUTORES: JOAN CAMILO GALINDO TORRES
ERICK ALEXANDER AVELLANEDA MORENO
PALABRAS CLAVES: Estabilización, Suelo, Aditivo Químico, Silicato de Sodio,
Capacidad Portante, Resistencia.
DESCRIPCION: Alguno de los inconvenientes más frecuentes que se presenta
dentro del campo de la ingeniería civil, es el estado y uso que se le puede dar al
suelo encontrado en cada una de las zonas referentes a desarrollar un proyecto
de ingeniería, bien sea de construcción de edificación vertical, de infraestructura
vial o urbanística, procesos civiles entre otros.
El objetivo de investigación de este proyecto, es establecer un método de
estabilización de suelo con un aditivo químico, una propuesta diferente a los
métodos generalmente más utilizados, como lo son el cemento Portland y la
misma cal. Que permita realizar estabilizaciones en el suelo y/o materiales pétreos
de baja calidad.
Esta investigación está dirigida a encontrar un suelo cohesivo y analizar la posible
estabilización de una muestra de suelo con un compuesto químico llamado silicato
de sodio.
De lograr generar una óptima estabilización, por medio de este producto, esto con
llevaría a una repercusión satisfactoria, al igual que a un alto impacto a nivel
económico y ambiental sustentable en cada uno de los proyecto a desarrollarse en
el ámbito ingenieril, ya que la obtención de este aditivo químico no es tan elevada
como los otros diferentes medios de estabilización referenciados anteriormente.
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 8
1.
Situación problema. .......................................................................................... 9
1.1. Contexto y caracterización del problema .......................................................... 9
2.
Antecedentes .................................................................................................. 10
3.
Justificación .................................................................................................... 12
4.
Interrogante .................................................................................................... 13
5.1 Objetivo General ............................................................................................ 14
5.2 . Objetivos Específicos ................................................................................... 14
6
Marco de referencia ........................................................................................ 15
6.1 Marco conceptual ........................................................................................... 15
6.2 Marco teórico ................................................................................................... 17
7
Diseño metodológico ...................................................................................... 23
7.1. Procedimiento metodológico .......................................................................... 23
8.
Características del suelo................................................................................. 25
8.1 Localización. .................................................................................................... 25
8.2. Descripción de la muestra............................................................................... 27
8.3. Ensayos de laboratorio realizados sobre el suelo. .......................................... 28
8.3.1. Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos. ................... 28
8.3.2. Determinación de límite liquido en los suelos. ............................................. 29
8.3.3. Limite plástico e índice de plasticidad en los suelos. ................................... 29
8.3.4. Relaciones de humedad – masa unitaria seca en los suelos (ensayo
modificado de compactación) ................................................................................ 30
8.3.5. Relación de soporte del suelo en el laboratorio (CBR de laboratorio) ......... 31
9. Características del estabilizador (silicato de sodio). .......................................... 31
10. Diseño de la estabilización............................................................................... 34
11. Análisis de resultados. ..................................................................................... 41
12. Procedimiento constructivo. ............................................................................. 49
13. Diseño de Estructura de Pavimento Flexible. .................................................. 51
12.1. Diseño método AASHTO .............................................................................. 51
12.1.1 Variables de diseño .................................................................................... 51
12.1.2. Selección de los espesores de las capas y dimensionamiento. ................. 52
13. CONCLUSIONES. ........................................................................................... 56
BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 59
TABLA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Proceso metodológico ....................................................................... 24
Ilustración 2 geográfica: toma de muestra ............................................................. 26
Ilustración 3 Características físico - químicas silicato de sodio.............................. 33
Ilustración 4 Silicato de sodio: pruebas laboratorio ................................................ 34
Ilustración 5 Ensayos de laboratorio: Proctor modificado ...................................... 37
Ilustración 6 Ensayos de laboratorio: CBR ............................................................ 38
Ilustración 7 Ensayos de laboratorio: Compresión simple ..................................... 40
Ilustración 8 Resultados CBR ................................................................................ 42
Ilustración 9 Grafica CBR seco .............................................................................. 42
Ilustración 10 Resultados CBR inmersión 4 días ................................................... 43
Ilustración 11 Grafica CBR inmersión 4 días ......................................................... 43
Ilustración 12 Comparación CBR seco vs CBR inmersión ..................................... 44
Ilustración 13 Grafica CBR seco vs CBR inmersión .............................................. 44
Ilustración 14 Datos peso unitario máximo seco .................................................... 45
Ilustración 15 Grafico peso unitario seco vs % dosificación ................................... 46
Ilustración 16 Grafica Compresión simple ............................................................. 47
Ilustración 17 Grafica resistencia conservada ....................................................... 48
Ilustración 18 Proceso constructivo ...................................................................... 50
Ilustración 19 tabla espesores de diseño CBR 5% ................................................ 53
Ilustración 20 Grafico estructura de pavimento, diseño CBR 5%........................... 53
Ilustración 21 tabla espesores de diseño CBR 14% .............................................. 54
Ilustración 22 Grafico estructura de pavimento, diseño CBR 14%......................... 54
Ilustración 23 tabla Diferencia de costos de las estructuras de pavimento. ........... 55
INTRODUCCIÓN
La estabilización de suelos es una técnica empleada con el fin de mejorar las
propiedades físicas y mecánicas de los suelos que no reúnen las condiciones
necesarias para la construcción de una estructura de pavimento. Además se
busca generar poco impacto ambiental, debido a que permite evitar transportar a
un vertedero enormes volúmenes de material de excavación, y por otra parte, traer
grandes cantidades de material de préstamo.
Es por esta razón que durante la ejecución de proyectos de obras viales se
presentará frecuentemente la opción de realizar la aplicación de un tratamiento
adecuado sobre el suelo procedente de la excavación que logre cumplir con lo
exigido en las especificaciones de construcción y con ello aprovechar buena parte
del suelo, debido a que, es la fuente de material más económica de utilizar en la
ejecución de la obra.
Adicionalmente, con la aplicación de un aditivo se busca mejorar las propiedades
de capacidad de soporte y resistencia a la compresión de la capa subrasante
donde se construirá la estructura de la vía. Cabe resaltar que los principales
aditivos utilizados han sido el cemento y la cal, sin embargo, la estabilización con
estos aditivos aumenta los costos en la construcción.
El objeto del presente proyecto está orientado en buscar otra alternativa diferente
al suelo–cemento, suelo cal, etc., el cual consistente en mezclar el suelo con un
producto químico denominado silicato de sodio y realizar el proceso necesario
para obtener una correcta estabilización del tipo de suelo evaluado.
Se realizara el análisis del comportamiento en un suelo con condiciones
desfavorables, mezclado con el estabilizador químico en diferentes porcentajes de
dosificación en relación del peso, y así lograr encontrar el porcentaje óptimo
8
aproximado de estabilizador que será comprobado a partir de los ensayos de
laboratorio realizados sobre la muestra de suelo.
La muestra de suelo se obtuvo de la subrasante en la cual se ejecutara la
construcción de la estructura de pavimento de la vía de conexión secundaria, que
debe ser realizada como parte del desarrollo de las obras complementarias del
proyecto de construcción de un edificio de apartamentos en la ciudad de Bogotá
D.C.
1. Situación problema.
1.1. Contexto y caracterización del problema
La estabilización química de suelos es una tecnología que se basa en la aplicación
de un producto denominado estabilizador químico, el cual se debe mezclar
homogéneamente con el suelo a tratar y curar de acuerdo a especificaciones
técnicas propias del producto.
El mejoramiento de los suelos ha atendido diversos requerimientos, tales como: la
resistencia al esfuerzo cortante, la compresibilidad, la estabilidad volumétrica ante
la presencia de agua, entre otros. Estos requerimientos buscan en todos los casos
generar un excelente comportamiento de la estructura que se construya sobre
ellos, bien sea en la etapa de construcción y/o de servicio.
La estabilización es comúnmente realizada en suelos finos de propiedades geomecánicas desfavorables, por tal razón es altamente probable encontrar
problemas relacionados con inestabilidades volumétricas ante la ganancia o
pérdida de agua. Existen en la práctica diversos métodos para estabilizar este tipo
de suelos, y cada uno utiliza diferentes agentes estabilizadores, entre los que se
pueden encontrar: la cal, el cemento Pórtland, productos asfálticos, ácidos
9
orgánicos, resinas, polímeros y sales. Al igual que la combinación entre dos o más
tipos de estabilizadores.
En la presente investigación se realizaron ensayos sobre un suelo arcilloso de alta
plasticidad, de consistencia muy blanda y moderado contenido de materia
orgánica, lo que permitió vislumbrar que es un suelo con propiedades de
resistencia a la compresión y resistencia a deformación en presencia de cargas
muy desfavorables. Siendo este el tipo de suelo que se requiere para desarrollar el
objeto de la presente investigación.
Por lo anterior, este proyecto está dirigido a evaluar una alternativa diferente a las
ya conocidas, la cual consistente en mezclar el suelo con un producto químico
como estabilizador denominado silicato de sodio.
Para evaluar esta alternativa se ejecutaron sobre la muestra de suelo pruebas de
laboratorio enmarcadas en las normas de ensayo para materiales de carreteras
INVIAS, realizadas bajo condiciones controladas, siguiendo la normatividad
vigente; en las cuales se enuncian claramente los procedimientos y métodos de
ensayo que deben utilizarse en la evaluación de las propiedades de
comportamiento del suelo natural y mejorado. De tal modo se pretende establecer
otro tipo de estabilización que sea efectiva y a su vez económica en comparación
con las estabilizaciones normalmente conocidas.
2. Antecedentes
Las estabilizaciones del suelo para uso en terrenos viales efectuadas con silicato
de sodio datan aproximadamente alrededor de 1945, en las cuales este
estabilizador ha mostrado mejores resultados al ser utilizado en suelos arenosos
ubicados en climas moderados.
10
Desde la fecha referida, se ha indagado sobre la efectividad del silicato de sodio
como estabilizante de suelos, en ocasiones se emplearon laboratorios en donde
sólo fue empleado el agente en mención y en otros experimentos se acompañaba
el silicato de sodio con otros productos químicos adicionales. Algunas de las
conclusiones sobresalientes sobre el proceso de experimentación con el silicato
de sodio, hace referencia que se puede utilizar para trabajos de estabilización
cuando el suelo tiene presencia de sales de calcio disueltas en agua, ya que la
reacción entre estos produce silicatos gelatinosos de calcio incomprensibles, los
cuales al entrar en contacto con el agua originan un magnífico agente cementante.
El efecto encontrado en la adición de un silicato, a cierto tipo de suelos, ha sido:
•
Incrementar la permanencia del agua de compactación
•
Aumentar la resistencia a la disgregación
•
Debilitar el índice plástico y la expansión.
Los silicatos más utilizados, son de metales alcalinos solubles en agua, con
excepción del litio, que no es soluble. Por su disponibilidad comercial, son
preferentes los silicatos de sodio y de potasio, siendo el más preferente el silicato
sódico.
“…La solución de silicatos, preferentemente silicatos sódicos, utilizada en la
composición de la presente invención, se puede preparar de cualquier manera
conocida en la técnica y los líquidos obtenidos presentan densidades y
viscosidades diferentes en función de la composición del mismo. Dichas
disoluciones de silicato sódico difieren tanto en la relación molar SiO2/Na2O como
en el extracto seco (porcentaje del total correspondiente a SiO2 + Na2O). La
relación molar SiO2/Na2O de los silicatos utilizados en la composición de la
presente invención se encuentra en el intervalo de 1,6 a 3,5 y de extracto seco
entre 35 y 55% en peso…
11
También la composición de la presente invención se puede aplicar allí donde se
requiera evitar la formación de polvo, reduciendo las partículas en suspensión,
incrementar la capacidad de carga de los caminos, construir caminos de bajo
presupuesto, reducir la absorción de agua y el agrietado por congelación,
mantener la integridad del suelo mojado, retardando la formación de regueros y
retardar la aparición de rastrojos…”1 Teniendo en cuenta lo anterior, es evidente
que se ha utilizado el silicato de sodio como estabilizador químico de suelos, razón
por la cual, se pretende realizar un proceso de estabilización en un suelo de
características desfavorables con el fin de evaluar sus propiedades en diferentes
condiciones.
Adicionalmente, se realizó la búsqueda de proyectos de investigación realizados
por otros estudiantes en la biblioteca de la Universidad Distrital Francisco José de
Caldas, Facultad Tecnológica, debido a que por medio del tutor de grado el
Ingeniero Rodolfo Felizzola se tuvo conocimiento de dos (2) proyectos que fueron
dirigidos por él en años anteriores. Esta información no puedo ser revisada, puesto
que, por indicaciones de la bibliotecaria esos documentos reposan en un archivo
general de la Universidad y no se encuentran relacionados en el sistema digital de
información, por lo tanto no fue posible obtener los documentos.
3. Justificación
El propósito de esta investigación es determinar la eficacia del estabilizador
químico y el porcentaje de dosificación aproximado necesario para aumentar la
resistencia a la compresión y la capacidad de soporte de un suelo cohesivo.
1
Composición para el cohesionado de suelos, procedimiento para su aplicación y usos del mismo. - Patente
de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200930747. - Solicitante: FMC FORET
S.A., Inventor/es: ARTIGAS PUERTO, RAMON., publicada el 30 de septiembre de 2010, Barcelona – España.
12
Teniendo en cuenta que los suelos cohesivos finos presentan una condición de
soporte y resistencia a la compresión muy baja. Con el fin de mejorar estas
propiedades, se pretende realizar la estabilización química sobre ese tipo de suelo
para obtener mejores propiedades y características en cuanto a resistencia a la
compresión y capacidad de soporte.
El proceso consiste en encontrar y considerar como método de estabilización
química el uso de silicato de sodio, en el porcentaje optimo aproximado que se
determine de acuerdo al resultado obtenido de los ensayos de laboratorio de esta
investigación y así mismo establecer el procedimiento de estabilización que
garantice mejorar las características de un suelo con propiedades geo-mecánicas
desfavorables.
Los resultados obtenidos de la fase de experimentación, tienen por objeto servir
de base para la determinación del tipo de tratamiento que se debe realizar a un
suelo cohesivo que pretenda ser estabilizado químicamente con silicato de sodio,
y lograr determinar la eficacia de este tipo de estabilizador comparando el diseño
de la estructura de pavimento de una subrasante sin estabilizar y una subrasante
estabilizada con el porcentaje aproximado de silicato de sodio obtenido de los
resultados de los ensayos de laboratorio realizados.
4. Interrogante
Es técnicamente viable la implementación del silicato de sodio como aditivo
químico en la estabilización de suelos cohesivos, que sean utilizados para el
mejoramiento de la subrasante en la construcción de la estructura de pavimento.
13
5. Objetivos
5.1 Objetivo General
Determinar y analizar los resultados obtenidos de los ensayos de laboratorio
realizados sobre una muestra de suelo estabilizada químicamente con silicato de
sodio. Que permita obtener la dosificación optima aproximada de estabilizador,
que evidencie el mejoramiento en la capacidad de soporte del suelo.
5.2 . Objetivos Específicos

Recopilar,
organizar
y
analizar
la
información
concerniente
a
la
estabilización del suelo mediante el uso de silicato de sodio.

Realizar las pruebas de laboratorio para caracterizar la muestra de suelo
enmarcadas en las normas de ensayo INVIAS. (análisis granulométrico de
suelos por tamizado INV - E – 123 – 13, determinación en laboratorio del
contenido de agua INV - E – 122 – 13, límite plástico e índice de plasticidad
de suelos INV - E – 126 – 13, determinación del límite líquido de los suelos
I.N.V - E – 125 – 13.)

Realizar ensayos sobre las muestras de suelo estabilizadas, adicionando
una cantidad de estabilizador en seis (6) porcentajes diferentes.

Evaluar mediante pruebas de laboratorio establecidas en las normas de
ensayo del Instituto Nacional de Vías - INVIAS, el comportamiento geomecánico del suelo estabilizado químicamente.

Ejecutar los ensayos que permitan determinar el comportamiento mecánico
del suelo estabilizado. (Relaciones de humedad – masa unitaria seca en los
14
suelos (ensayo modificado de compactación) I.N.V - E – 142 – 13 y relación
de soporte del suelo en el laboratorio (CBR de laboratorio) I.N.V - E 148 –
13.)

Realizar briquetas con cada una de las muestras de suelo obtenidas de los
diferentes porcentajes de adición de silicato de sodio, con el fin de obtener
la resistencia a la compresión, una vez se compruebe la capacidad
cementante que tenga el silicato de acuerdo a las normas de ensayo
INVIAS. (Preparación y curado de probetas de suelo – cemento para
pruebas de flexión y compresión en el laboratorio I.N.V – E – 613-13 y
resistencia a la compresión de cilindros moldeados de suelo – cemento
I.N.V – E- 614-13).

Analizar los resultados obtenidos con el fin de determinar el porcentaje de
adición de silicato de sodio óptimo aproximado para el suelo en estudio.

Comparar el diseño de las estructuras de pavimento obtenidas con los
datos de CBR del suelo natural y estabilizado.
6 Marco de referencia
6.1 Marco conceptual
En este apartado se hace referencia, a los conceptos básicos e importantes que
deben ser claros durante el proceso de entendimiento y desarrollo del proyecto
descrito, motivo por el cual se desglosa una serie de conceptos y sus significados.
15
Estabilización: Procedimiento químico y/o físico mediante el cual se desea
mejorar las propiedades mecánicas de un suelo2
Suelo: partículas naturales, orgánicas y mineralógicas cohesivas entre sí; que
pueden ser separadas mecánicamente con poca energía o por agitación de agua.3
Suelo Lacustre A: tipo de suelo conformado principalmente por depósitos de
arcillas blandas con profundidades mayores de cincuenta (50) metros. Pueden
aparecer depósitos ocasionales de turbas y/o arenas de espesor intermedio a
bajo. Presenta una capa superficial pre consolidada de espesor variable no mayor
de diez (10) metros.4
Método químico: Consiste en alterar las propiedades del suelo usando un cierto
aditivo, el cual mezclado con el suelo, normalmente produce un cambio en las
propiedades moleculares superficiales de los granos del suelo5
Aditivo Químico: Sustancia incorporada o añadida a otra sustancia y/o elemento,
para corregir u otorgar propiedades al elemento adicionado, que este no tenía
antes.
Silicato de sodio: Es una sustancia química, de fórmula Na2SiO3, utilizada
dentro de la industria en diferentes campos, tales como; detergentes, compuestos
de limpieza, ligantes, cementos, capas protectoras, anticorrosivos, entre otros, sus
diferentes propiedades al ser soluble pueden ser utilizadas en forma eficiente y
económica.6
2
3
4
5
Norma CE:020 estabilización de suelos y taludes pág. 7.
Norma CE:020 estabilización de suelos y taludes pág. 7.
Decreto No. 523 del 06 de diciembre de 2010. "Por el cual se adopta la Microzonificación Sísmica de Bogotá D.C." pág. 6.
Hernán de Solminihac T. Estabilización Química de Suelos: Aplicaciones en la construcción de estructuras de pavimentos; Art. pág. 1
6
Fuente Compañía Quiminet , Mexico D.F. - ficha técnica, http://www.quiminet.com/articulos/cuales-son-los-usos-y-aplicaciones-delsilicato-de-sodio-liquido-y-solido-27872.htm
16
Capacidad portante: Capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas
sobre él.7
Resistencia: Capacidad de un sólido para soportar presiones y fuerzas aplicadas
sin quebrarse, deformarse o sufrir deterioros.8
6.2 Marco teórico
La estabilización de suelos consiste en mejorar las condiciones del sitio, con el fin
de crear una base o subbase que cumpla con los parámetros exigidos en las
especificaciones de construcción. En algunas regiones del mundo, regularmente
en países en desarrollo y ahora más frecuentemente en países desarrollados, la
estabilización de suelos está siendo utilizada para construir tramos de vía
extensos.
“…El uso de silicatos de sodio, como aglomerantes de suelos es bien conocido en
la técnica. Los silicatos de sodio, en disolución acuosa, son líquidos alcalinos,
incoloros e inodoros, que presentan unas propiedades físico-químicas, tales como
adherencia y cohesión, que los hace potencialmente idóneos para su utilización
como aglomerantes en suelos. Ajustando adecuadamente su viscosidad se puede
lograr que penetren y ocupen todas las irregularidades del terreno, tanto en la
superficie como en el subsuelo...”9
El concepto de estabilizar en ingeniería consiste en agregar un producto químico o
realizar un tratamiento físico para modificar las características del suelo, y así
poder darle una mayor resistencia al suelo y disminuir su plasticidad.
7
http://es.slideshare.net/kairope/capacidad-portante-de-suelos
8
http://definicion.de/resistencia/
Composición para el cohesionado de suelos, procedimiento para su aplicación y usos del mismo. - Patente
de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200930747. - Solicitante: FMC FORET
S.A., Inventor/es: ARTIGAS PUERTO, RAMON., publicada el 30 de septiembre de 2010, Barcelona – España.
9
17
“…El fin último de realizar la estabilización del suelo es la de modificar sus
características mediante la incorporación de un conglomerante (normalmente cal
y/o cemento) para permitir su aprovechamiento. Los objetivos directos que se
obtienen suelen ser:
• Permitir el aprovechamiento de suelos de deficiente calidad, evitando su
extracción y transporte a vertedero.
• Aumentar su resistencia a la erosión y capacidad portante.
• Permitir la circulación por terrenos intransitables.
• Obtener
una
plataforma
estable
de
apoyo
del
firme
que
colabore
estructuralmente con el mismo…”10
Por lo tanto, es el proceso en el que se busca que las partículas de suelo estén en
contacto las unas con las otras, disminuyendo la cantidad de vacíos, utilizando
para ello métodos mecánicos, químicos (como en este caso) y físico-químicos.
Estabilización Mecánica. Es una técnica de mejora basada en el cambio de
gradación,
realizando
la
mezcla
de
varios
materiales
con
propiedades
complementarias, y así obtener un nuevo material de mejores condiciones
de
calidad que cumpla con las exigencias solicitadas.
Este método se realiza con el fin de mejorar las propiedades de plasticidad y
distribución granulométrica. Este tipo de estabilización se lleva a cabo por
dosificación de materiales en cantidades obtenidas en el laboratorio o en el sitio.
Estabilización Química. Consiste en realizar el cambio de las propiedades del
suelo o material granular a utilizar obtenido mediante la adición de cementantes
10
Guías Técnicas “Estabilización de suelos con cemento” – Instituto Español del Cemento y sus aplicaciones
IECA, página 2.
18
orgánicos, inorgánicos o sustancias químicas especiales. Es denominado como
estabilizador
químico.
Este
tipo
de
estabilización
se
debe
mezclar
homogéneamente el suelo o material granular con el estabilizador y curar según
se enmarque en las especificaciones técnicas del producto.11
Entre los agentes químicos más utilizados se encuentran el cemento Pórtland,
asfalto, cloruro de sodio, cenizas volantes y cloruro de calcio; estos materiales se
usan para modificar la plasticidad, controlar el cambio de volumen, contenido de
humedad y mejorar la resistencia.
Estabilización Físico-Química. Este tipo de estabilización físico-química consiste
en cambiar las propiedades de los granos de suelo, principalmente de los
minerales arcillosos, contenido de agua, plasticidad y resistencia.
Por lo tanto las propiedades físicas y químicas de los suelos, determinan en gran
medida, su capacidad de uso.
La condición física de un suelo, determina muchas de sus propiedades como la
capacidad portante, facilidad de drenaje y porosidad, la capacidad de
almacenamiento de agua y plasticidad.
Por otra parte, “…la clase y cantidad de aniones y cationes presentes en la
solución del suelo, el tipo de arcillas y el tipo de complejos arcillo húmicos que se
forman, determinarán los procesos de floculación o dispersión de las partículas del
suelo y la estructura atómica...”12
11
Dirección General De Caminos Y Ferrocarriles Dgc Y F-Perú - MTC E 1109 –2004 Norma Técnica De
Estabilizadores Químicos. “Estabilización química de suelos - Caracterización del estabilizador y evaluación
de propiedades de comportamiento del suelo mejorado.- página 5.”
12
Documento digital 30160, Manejo y Conservación de Suelos - Lección 4: Propiedades Físico químicas del
suelo que influyen en la estabilidad de agregados. – UNAD Universidad Nacional Abierta y a Distancia.
19
Como se ha mencionado anteriormente el producto químico utilizado como
estabilizador dentro de esta investigación es el silicato de sodio. Siendo este
producido con ceniza de soda y cuarzo, por fusión a una temperatura de 1200°C.
Este vidrio soluble (silicato de sodio), tiene como característica ser soluble en
agua, bajo unas condiciones de temperatura y presión especificadas.
El silicato de sodio pertenece al grupo de compuestos químicos los cuales poseen
una amplia gama de propiedades físicas y químicas; aplicadas en diversas zonas
de la industria, mecánica, de limpieza y construcción.
Al efectuar la estabilización con el silicato de sodio las principales características
que se podrán encontraran en el suelo al que es adicionado son:
• Incrementa la permanencia del agua de compactación.
• Aumenta la resistencia al disgregado.
• Reduce el índice plástico.
• Disminuye la expansión volumétrica.
Algunas de las características y ventajas del Silicato de Sodio en solución son:

Es económico en comparación con otros productos usados como
estabilizadores y su disponibilidad permite obtenerlo fácilmente.

Trabaja mejor con suelos arenosos, como arenas arcillosas y arenas
limosas, pero no es adecuado para suelos arcillosos.

El silicato de sodio trabaja como impermeabilizantes y también evita el
crecimiento de hongos.

Si es mezclado con el suelo, la cantidad usual es de 5%.
20

Sin embargo es mejor emplearlo como recubrimiento superficial hechos de
silicato de sodio comercial: agua limpia en una proporción de 1:3.

Se obtiene una penetración más profunda de la solución, añadiendo una
pequeña cantidad de algún agente activo superficial.
Para comenzar se debe realizar una adecuada clasificación del suelo dentro de la
normatividad AASHTO y S.U.C.S, con el fin de determinar el tipo y cantidad de
estabilizante, así como el procedimiento para efectuar la estabilización.
Así mismo, resulta complicado determinar adecuadamente los efectos inmediatos
y permanentes que producirán en el suelo diferentes tipos de agentes, por
ejemplo, un cemento Pórtland puede rigidizar el suelo mientras que un asfalto lo
hace flexible.
También, Se deben tener en cuenta las características que se pretenden mejorar
en el suelo estabilizado, las cuales nos permitan indicar la importancia de sus
propiedades, tales como; la resistencia a la compresión y capacidad de soporte.
Es indispensable además conocer las características originales del suelo que se
pretendan estabilizar.13
Por tal razón, se debe realizar la recolección de la cantidad de suelo necesaria
para realizar los ensayos de laboratorio y de silicato de sodio, para llevarlos al
laboratorio EIE Echeverry Ingeniería y Ensayos S.A.S., donde se ejecutaran los
ensayos al material dentro de situaciones controladas.
13
Trabajo de investigación, realizado por Jesús Alberto Díaz Ariza - Julio Cesar Mejía Vargas – Universidad
Industrial de Santander, año 2004, “Estabilización de suelos mediante el uso de un aditivo químico a base de
compuestos inorgánicos.” – numeral 2. Proceso General de la Estabilización. Páginas 13 y 14.
21
Teniendo en cuenta lo anterior, y para realizar la caracterización del suelo, en el
laboratorio se ejecutaran los siguientes ensayos sobre el suelo en condición
natural y estabilizada con silicato de sodio:
Análisis granulométrico de suelos por tamizado INV - E – 123 – 13, determinación
en laboratorio del contenido de agua INV - E – 122 – 13, límite plástico e índice de
plasticidad de suelos INV - E – 126 – 13, determinación del límite líquido de los
suelos I.N.V - E – 125 – 13.).
Así mismo, se realizaran las pruebas para evidenciar el comportamiento mecánico
que presenta al suelo teniendo en cuenta los ensayos de: Relaciones de humedad
– masa unitaria seca en los suelos (ensayo modificado de compactación) I.N.V - E
– 142 – 13 y las pruebas de relación de soporte del suelo en el laboratorio (CBR
de laboratorio) I.N.V - E 148 – 13. Sobre cada una de las seis (6) muestras
obtenidas a partir de los seis porcentajes de silicato de sodio que se adicionen, se
realizaran los siguientes ensayos:
-
Un ensayo de proctor modificado.
-
Un ensayo de CBR en 4 días de inmersión
-
Un ensayo de CBR en seco a temperatura y humedad ambiente.
Lo anterior con el fin de establecer las propiedades del suelo estabilizado, en
presencia de agua comparándolo con una muestra sometida a condiciones
normales en estado natural.
Por último, se realizara el ensayo de compresión simple sobre las briquetas
elaboradas con las muestras modificadas, con los diferentes porcentajes de
adición de silicato de sodio empleados. Teniendo en cuenta las normas que
enmarcan para este procedimiento:
22
Preparación y curado de probetas de suelo – cemento para pruebas de flexión y
compresión en el laboratorio I.N.V – E – 613-13 y resistencia a la compresión de
cilindros moldeados de suelo – cemento I.N.V – E- 614-13.
7 Diseño metodológico
Debido a que la investigación es de tipo cuantitativa y a su vez comparativa, la
metodología más conveniente es la realización de un análisis técnico sobre los
ensayos realizados al suelo donde se comparen los resultados de cada una de las
muestras a estudiar y se obtenga un porcentaje optimo aproximado del
estabilizador químico que garantice las propiedades de capacidad de soporte del
suelo objeto de investigación.
7.1. Procedimiento metodológico
La investigación se enmarca en las siguientes actividades:
1.) Caracterización del Suelo
Para lograr una caracterización adecuada de la muestra de suelo extraída de la
zona en mención, fueron ejecutados ensayos de laboratorio, enmarcados en las
normas de ensayo para materiales de carreteras INVIAS, las cuales normalizan
los procedimientos de ensayo que se deben realizar para evaluar cada una de las
propiedades de un material. Por consiguiente, se efectuaron los siguientes
laboratorios, de acuerdo, a lo solicitado en el objeto de la presente investigación:
Granulometría: esta prueba fue ejecutada con el fin de determinar la distribución
del tamaño de partículas de la muestra tomada. Para posteriormente realizar su
clasificación (arcilla de alta plasticidad de color gris de consistencia muy blanda
con un moderado contenido de materia orgánica.)
23
Límites de Atterberg: laboratorio efectuado con la finalidad única de la obtención
del límite líquido, límite plástico y contenido de humedad requerido en la muestra.
Adicionalmente, se realizaron los ensayos de densidad máxima obtenida del
ensayo de masa unitaria seca en los suelos método A y la relación con la
capacidad de soporte obtenida del ensayo de CBR, realizado con diferentes
cantidades del estabilizador químico adicionadas a la muestra de suelo.
2.) Estabilizar las muestras.
Se realizó la estabilización empleando dosificaciones de silicato de sodio variando
los porcentajes de adición del estabilizador y se realizaron los ensayos necesarios
bajo condiciones controladas en el laboratorio para evaluar su efectividad en un
suelo cohesivo.
Igualmente, el estudio del uso de este estabilizador pretende determinar los
tratamientos apropiados para lograr características de rendimiento adecuado en
una subrasante y correlacionar sus resultados con valores de CBR para el diseño
del pavimento.
El proceso a desarrollar durante la investigación se esquematiza a continuación:
24
Ilustración 1 Proceso metodológico.
8. Características del suelo
8.1 Localización.
La muestra de suelo utilizada para el desarrollo de este proyecto, fue extraída de
la zona de galerías en la ciudad de Bogotá D.C., ubicada en la dirección
transversal 27A N° 53B - 19 a una profundidad de 2 m, donde se ejecutara la
construcción de la estructura de pavimento necesaria para la conformación de la
vía secundaría correspondiente a las obras complementarias que se deben
ejecutar en el proyecto.
25
Ilustración 2 geográfica: toma de muestra
14
Perfil estratigráfico:
a) De 00m a 0.05m Pasto raíces.
b) De 0.05m a 0.70m Limo orgánico negro con raíces
c) De 0.70m a 2.70m Arcilla habana amarilla oxidada algo suelto
d) De 2.70m a 3.10m Arcilla gris verdosa oxidada consistencia blanda.
e) De 3.10m a 3.70m Arcilla gris verdosa oxidada consistencia blanda
f) De 3.70m a 4.10m Arcilla gris verdosa oxidada consistencia blanda
g) De 4.10m a 5.50m Arcilla gris verdosa oxidada consistencia blanda
h) De 5.50m a 7.00m Arcilla gris verdosa oxidada consistencia demasiado
blanda
i) De 7.00m a 9.00m Arcilla gris verdosa oxidada consistencia muy blanda.
j) De 9.00m a 25.00m Arcilla gris verdosa oxidada consistencia muy blanda.
14
Fuente: SINUPOT Bogotá D.C., http://sinupotp.sdp.gov.co/sinupot/index.jsf - chip catastral
AAA00084YUHY, No. Matrícula 50C – 483902.
26
Mapa De Micro-Zonificación Sísmica

ZONA GEOTECNICA: LACUSTRE A

ZONA DE RESPUESTA SISMICA: LACUSTRE 200

Espesor: 100-200 metros

Periodo fundamental del suelo: 2.5-3.5 s

Descripción Geotécnica General: Arcillas limosas o limos arcillosos blandos

Velocidad de onda promedio 50m Vs (m/s) < 175

Humedad Promedio 50m Hn > 80

Efectos de sitio relacionados: Amplificación15
8.2. Descripción de la muestra
La muestra de suelo fue obtenida en el barrio Galerías ubicado en la ciudad de
Bogotá D.C., a través de una excavación realizada a una profundidad aproximada
de 2 m del nivel de rasante, siendo este el nivel del suelo en el cual se va a
realizar la estructura de pavimento necesaria para la conformación de la vía
secundaría correspondiente a las obras complementarias que se deben ejecutar
en el proyecto.
El material encontrado en la excavación y de acuerdo con las clasificación de los
ensayos de laboratorio, corresponden a una arcilla de alta plasticidad de color gris,
consistencia muy blanda y moderado contenido de materia orgánica.
Presenta una distribución granulométrica muy fina pues solo contiene un 7,1% de
arena fina y el 92,9% de la muestra paso a través del tamiz No. 200, presentó un
contenido de porcentaje de humedad en peso igual a 84%, lo que confirma la
consistencia antes descrita.
15
Perfil estratigráfico obtenido del estudio de suelos, elaborado por la compañía, Diseño y Construcción,
Ingeniero Civil Fernando Vazquez. Pag. 5.
27
Dado lo anterior y según la clasificación S.U.C.S se registra que la muestra se
encuentra en un manto de arcilla de alta plasticidad (CH), de color gris con
material fino del orden de 93%, índice de plasticidad del 87%, límite liquido en el
orden de 122% y limite plástico en 35% clasificándolo como un suelo tipo A-7-6
según la clasificación AASHTO, que lo denota como un terreno de fundación
regular a deficiente. (Ver Anexo I).
8.3. Ensayos de laboratorio realizados sobre el suelo.
A continuación se describen los ensayos realizados sobre el suelo para clasificarlo
y evaluar las características geo-mecánicas.
8.3.1. Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos.
Por medio de este ensayo, el cual está reglamentado por la norma INV E123-13, se determina de forma cuantitativa el tamaño de las partículas del
suelo contenido en cada tamaño de los tamices; esto nos ayuda a clasificar
el suelo de acuerdo a la distribución granulométrica de las partículas que
conforman el suelo a evaluar.
El método consiste en hacer pasar por medio de unos tamices graduados
en diversas aberturas, acomodados de forma descendente, estando arriba
el de mayor abertura hasta encontrar el de menor; las partículas del suelo.
Luego el suelo retenido en cada tamiz y es pesado. Con estos datos se
genera una gráfica que muestra la distribución de los tamaños y el % pasa.
La cual es llamada la curva granulométrica.
En este estudio también se generó el ensayo anteriormente mencionado
para la muestra extraída.
28
8.3.2. Determinación de límite liquido en los suelos.
La determinación de límite líquido en los suelos es importante dentro de un
estudio de estabilización, ya que es determinante analizar si el estabilizante
utilizado en el suelo, produce un aumento o disminución del límite liquido de
la muestra. Recordemos que el límite líquido en el suelo, es el contenido de
humedad que presenta el suelo bajo el cual se comporta como un material
plástico.
Para la muestra de suelo utilizada para la ejecución de este proyecto, el
límite liquido fue hallado por medio del método A descrito y controlado por
la norma INV E -125- 13; en la misma, en el numeral 1.3.1 describe que
este método es recomendable, cuando se requiera precisión de la toma del
mismo.
Este método únicamente es aplicable a la muestra de suelo que pasa el
tamiz número 40, establece -como ya fue mencionado- el contenido de
humedad necesaria para que una cantidad de la muestra del suelo tomada
en la cazuela de Casagrande, montada a ras y efectuándole una ranura
central en sentido vertical, para que la muestra sea mezclada con un
contenido de agua calculado y produzca el cierre de dicha ranura en su
parte central, al serle aplicado alrededor de entre 25 y 35 golpes según
expresa la norma en el numeral 9.1.2.4 .
8.3.3. Limite plástico e índice de plasticidad en los suelos.
Este ensayo se le realizó a la muestra tomada, con el fin de determinar bajo
cual contenido de humedad la muestra se comporta como un material no
plástico o semisólido para tal efecto.
29
Este ensayo es regido por la norma INV E – 126 – 13, en la cual expresa
que el límite plástico se determina presionando una porción de la muestra
de suelo con un cierto porcentaje de humedad de tal manera que se puedan
formar rollos de 3,2 mm (1/8”) de diámetro.
El límite plástico es la humedad más baja y óptima con la cual se pueden
formar rollos del diámetro mencionado, sin que el rollo de la muestra
presente agrietamientos o desmoronamientos.
El índice de plasticidad también es entendido como el rango de contenido
de agua en el cual el suelo se comporta de forma plástica, de una forma
numérica este índice se encuentra efectuando la diferencia entre el límite
plástico y el límite líquido.
8.3.4. Relaciones de humedad – masa unitaria seca en los suelos
(ensayo modificado de compactación)
Este laboratorio está regido por la norma INV E – 142 – 13 y estos ensayos
son empleados para determinar la relación entre la humedad y el peso
unitario seco de la muestra de suelo.
Este ensayo es realizado mediante la colocación de cinco capas de suelo
con humedad de moldeo preseleccionada dentro de un molde, sometiendo
a cada capa a 25 o 56 golpes con un martillo compactador de 44.48 n (10
lbs) cayendo desde una altura de 457.2 mm (18”) generando una energía
de compactación alrededor de 27mmm kN-m/m3. Y se determina el peso
unitario seco, este procedimiento se efectúa con un numero diferente de
humedades de moldeo en el suelo, para generar una curva de humedad de
30
moldeo vs pesos unitarios secos obtenidos. El nombre de esta curva es
curva de compactación y su vértice determina la humedad óptima y el peso
unitario seco máximo.
8.3.5. Relación de soporte del suelo en el laboratorio (CBR de
laboratorio)
Por medio de este ensayo controlado por la norma INV E – 148 – 13
queremos medir la resistencia al corte de la muestra de suelo, bajo
condiciones de humedad y densidad controladas. Este ensayo tiene un
proyección para verificar el comportamiento de la resistencia de suelos que
contenga tamaños de partículas de menos de 3/4” (19mm).
El ensayo de C.B.R se ejecuta usualmente en muestras previamente
compactadas con el contenido de humedad óptimo para la muestra de
suelo específica a utilizar en el mismo.
Al practicar estos ensayos de C.B.R se obtiene una curva de presión vs
penetración, de esta se grafica se toma el dato de presión en la cual se
logra una penetración de 0.5 pulgadas.
9. Características del estabilizador (silicato de sodio).
El silicato de sodio es una sustancia inorgánica, que se encuentra en solución
liquida
y
sólida
en
muchos
compuestos,
entre
ellos
el
cemento,
impermeabilizantes, refractores, y procesos textiles.
Se forma cuando el carbonato de sodio y el dióxido de silicio reaccionan
formando silicato de sodio y dióxido de carbono:
31
Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2
Fabricación
Los silicatos de sodio se producen fundiendo a altas temperaturas, carbonato
de sodio (Na2CO3) con arena sílice.
“Nombre del Producto: SILICATO DE SODIO LIQUIDO
Nombre químico: Silicato de Sodio S
Sinónimos: Vidrio soluble, silicato sódico.
Fórmula: Na2SiO3
Estado físico: Líquido semitransparente y viscoso.
Color: Incoloro a ligeramente grisáceo.
Olor: Inodoro.
pH a 20 ºC: 12.3 – 12.7.
Solubilidad en Agua: 100% soluble
Densidad a 20 ºC : 40 ºBé – 54 ºBé
Gravedad Específica: 1.394 – 1.593
Punto de Congelación: -1°C (30 °F)
Punto de Ebullición: 101 ºC – 102 ºC (214 ºF – 216 ºF)
Viscosidad a 20 ºC: 65 cps aprox.
Presión de vapor a 20 ºC: No determinada.”16
Propiedades del silicato de sodio
“…La solución de silicatos, se puede preparar de cualquier manera conocida en la
técnica y los líquidos obtenidos presentan densidades y viscosidades diferentes en
función de la composición del mismo. Dichas disoluciones de silicato sódico
16
MANUFACTURAS SILICEAS S.A.S, HOJA DE SEGURIDAD DEL MATERIAL – MSDS - Silicato de Sodio Líquido,
Sección 9 “Propiedades físicas y químicas. Páginas 1 y 6”.
32
difieren tanto en la relación molar SiO2/Na2O como en el extracto seco
(porcentaje del total correspondiente a SiO2 + Na2O). La relación molar
SiO2/Na2O de los silicatos utilizados en la composición se encuentra en el
intervalo de 1,6 a 3,5 y de extracto seco entre 35 y 55% en peso...”17
En la figura 2 se muestran los principales productos líquidos18:
Ilustración 3 Características físico - químicas silicato de sodio
Algunas de las ventajas que encontramos en los
silicatos solubles como
aglutinantes son:
a. Resistencia a la temperatura
b. Resistencia a los ácidos
c. Resistencia a disolventes después de su uso
d. Facilidad de manejo
e. Seguridad
f. Bajo costo.
g. Buen aglutinantes cementante
17
Composición para el cohesionado de suelos, procedimiento para su aplicación y usos del mismo. - Patente
de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200930747. - Solicitante: FMC FORET
S.A., Inventor/es: ARTIGAS PUERTO, RAMON., publicada el 30 de septiembre de 2010, Barcelona – España.
18
Fuente: Silicatos y Derivados S.A. de C.V. una filial de PQ Corporation, ficha técnica del producto, página 1.
33
Ilustración 4 Silicato de sodio: pruebas laboratorio
10. Diseño de la estabilización.
Trabajo De Campo Y Ensayos De Laboratorio.
Dentro de las actividades planteadas se realizó una descripción visual en el sitio
donde se tomó la muestra de las características del suelo encontrado. Luego se
realizó la ejecución de los ensayos de laboratorio antes mencionados, los cuales
fueron planteados con el fin de evaluar las propiedades geo-mecánicas del suelo,
como son: capacidad de soporte y resistencia a la compresión, con el fin de, lograr
obtener el porcentaje óptimo aproximado de aditivo químico necesario para
estabilizarlo.
Para la ejecución de los ensayos se contrató a la firma E.I.E. Echeverry Ingeniería
& Ensayos S.A.S., compañía que cuenta con acreditación ante el ONAC, lo que
34
avala los procedimientos de ejecución de ensayos de acuerdo a la normatividad
vigente. Las muestras fueron debidamente etiquetadas, referenciadas y enviadas
al laboratorio donde se hizo un programa de ensayos tendiente a determinar las
propiedades físicas, deformación y resistencia geomecánica del suelo encontrado.
(Tabla 1).
Se realizaran los ensayos de humedad natural, límites de atterberg y
granulometría, con el fin de, realizar la correcta clasificación del suelo de acuerdo
a la normatividad S.U.C.S y AASHTO, cabe resaltar que estos ensayos fueron
realizados sobre la muestra en estado natural. Adicionalmente se realizaron los
ensayos de proctor modificado, CBR de laboratorio método I, para seis (6)
muestras de suelo a las que le fueron adicionados seis (6) porcentajes de silicato
de sodio diferentes, igualmente, se realizaron sobre la muestra en estado natural
para un total de siete (7) ensayos en dos estados diferentes; seco al aire y
temperatura ambiente hasta obtener una masa constante que no variara en más o
menos 1 g y en estado de inmersión en agua por 4 días, en este se determinó la
expansión del suelo producto de la saturación que realiza el agua sobre cada una
de las muestras. Estos ensayos fueron realizados según lo descrito en las normas
de ensayo para materiales de carreteras Invias.
Para el ensayo de compresión simple, se determinó realizar sobre las siete
muestras seis (6) briquetas por cada una, realizando dos (2) grupos de tres (3)
briquetas, con el fin de, evaluar la capacidad de resistencia del suelo en las dos
condiciones que se pueden llegar a presentar en el suelo, cabe resaltar que en las
normas de ensayo INV-E-806-07 y INV-E-809-07, determinan la elaboración de
dos (2) especímenes. Por lo que, se decidió con el tutor del proyecto la
elaboración de grupos tres (3) especímenes por cada una de las condiciones en
los diferentes porcentajes de dosificación.
35
La cantidad de ensayos efectuados dentro del marco del proyecto a la muestra
tomada, son definidos a criterio de los estudiantes, estos basados en las normas
técnicas vigentes. A continuación se relacionan la cantidad de ensayos realizados.
Tabla1. Relación de ensayos de laboratorio
ENSAYO
CANTIDAD
Humedad natural
1
Límites de Atterberg
1
Granulometría
1
Compresión simple
42
Proctor modificado
7
CBR
14
El ensayo de humedad se efectuó para determinar el comportamiento del suelo de
desplante y verificar el contenido de agua del material existente, también se
realizó el análisis granulométrico para determinar cuantitativamente la distribución
de los diferentes tamaños de partículas del suelo, con el fin de poder clasificarlo
dentro del procedimiento de identificación S.U.C.S y AASHTO, así como ensayos
para determinar los límites plástico y líquido que proporcionarán conocimiento
acerca de la vulnerabilidad del suelo a la infiltración; se realizaron ensayos de
compresión simple con el fin de evidenciar la resistencia del suelo a compresión
tanto del suelo natural como de las diferentes estabilizaciones realizadas y
ensayos de proctor modificado y CBR de laboratorio método 1.
Con el fin de determinar parámetros aproximados de capacidad de soporte,
densidad y deformación del suelo ante las solicitaciones de carga, los anteriores
ensayos se efectuaron para comprobar el porcentaje de adición de silicato óptimo
aproximado de la muestra donde se evidencie el mejoramiento de las mismas. En
el anexo, se presentan los resultados de los ensayos ejecutados.
36
La muestra de suelo fue modificada teniendo en cuenta la información encontrada
sobre estabilizaciones químicas realizadas, y se aumentó el porcentaje de adición
de silicato de sodio en proporciones de 2% en relación al peso, la muestras fueron
secadas al aire y al horno para obtener el porcentaje de humedad del suelo, se
realizó el ensayo de granulometría con el fin de determinar la distribución de
tamaños del suelo y poder clasificarlo. Una vez secada las muestras, se realizaron
los ensayos antes mencionados, adicionando el contenido de estabilizador
químico necesario para determinar el porcentaje óptimo aproximado que permita
mejorar las propiedades del suelo tratado.
ENSAYOS DE PROCTOR MODIFICADO.
Ilustración 5 Ensayos de laboratorio: Proctor modificado
37
El ensayo de proctor modificado fue realizado para obtener el peso unitario seco
del suelo y el porcentaje de humedad óptimo. Este ensayo fue ejecutado sobre las
muestras de suelo en condición natural y con los diferentes porcentajes de
estabilizador químico adicionado al suelo.
ENSAYOS DE CBR DE LABORATORIO METODO I
Ilustración 6 Ensayos de laboratorio: CBR
Se realizaron ensayos de CBR en cada una de las muestras evaluándolo en dos
condiciones diferentes:
La primera condición: Es en estado seco al aire en el cual se evalúa la muestra
hasta llegar a una característica de masa constante, esta se verifica realizando
pesajes cada dos horas, hasta que el peso de la muestra no varíe en más o
menos 1 gr, el tiempo para llegar a esta condición es aproximadamente de 3 días.
38
La segunda condición: Es de inmersión en un tanque con agua por 4 días, donde
se tomaran lecturas diarias con un deformímetro de precisión de 0,001” y
determinar el porcentaje de expansión del suelo en condición saturada.
Se efectuaron en total siete (7) ensayos de CBR Método I sobre las siguientes
mezclas y condiciones de curado:
1.
Suelo sin adiciones, en condición de temperatura y humedad ambiente y 4
días en inmersión en agua.
2.
Suelo + 2% de silicato de sodio, en condición de temperatura y humedad
ambiente y 4 días en inmersión en agua.
3.
Suelo + 4% de silicato de sodio, en condición de temperatura y humedad
ambiente y 4 días en inmersión en agua.
4.
Suelo + 6% de silicato de sodio, en condición de temperatura y humedad
ambiente y 4 días en inmersión en agua.
5.
Suelo + 8% de silicato de sodio, en condición de temperatura y humedad
ambiente y 4 días en inmersión en agua.
6.
Suelo + 10% de silicato de sodio, en condición de temperatura y humedad
ambiente y 4 días en inmersión en agua.
7.
Suelo + 12% de silicato de sodio, en condición de temperatura y humedad
ambiente y 4 días en inmersión en agua.
En todas las condiciones será evaluado el Esfuerzo vs. Penetración de cada uno
de los especímenes, tal cual, lo determina la norma de ensayo Invias.
39
ENSAYOS DE COMPRESIÓN SIMPLE
Ilustración 7 Ensayos de laboratorio: Compresión simple
40
Se realizó la elaboración de briquetas de suelo natural sin adición del estabilizador
y con aditivo, que fueron evaluadas en condición seca y saturada.
Los especímenes de la primera condición fueron secados al aire libre durante 7
días y los de la segunda condición se mantienen durante 7 días dentro del cuarto
de curado donde se garantiza la condición de humedad en un 98%. Una vez se
cumple el tiempo de curado se realiza el ensayo de resistencia a la compresión
sobre todos los especímenes.
Se elaboraron seis (6) briquetas por cada una de las dosificaciones, en dos (2)
grupos de tres (3) especímenes, para ser evaluadas bajo las dos condiciones
solicitadas y poder correlacionar la resistencia en cada uno de los estados. Por
consiguiente, se compactaron un total de cuarenta y dos (42) briquetas.
11. Análisis de resultados.
Dentro de este capítulo se realizara el análisis de los resultados obtenidos
producto de los ensayos de laboratorio efectuados sobre la muestra de suelo en
condiciones naturales y los realizados sobre las muestras obtenidas con la adición
de los diferentes porcentajes de silicato de sodio.
El análisis de los resultados obtenidos de capacidad de soporte producto del
ensayo CBR método I descrito en la norma de ensayo Invias E-148-13, y los
obtenidos de los resultados que miden la capacidad de resistencia a la compresión
según norma de ensayo Invias 806-07 y 809-07.
Los anteriores fueron realizados con el fin de comprobar la dosificación óptima
aproximada de silicato de sodio, y lograr evidenciar el mejoramiento en cada una
las propiedades evaluadas.
41
Datos de CBR de especimenes sometidos a 4 días aprox. en temperatura y humedad ambiente
Dosificaciones
de silicato de CBR (56 golpes) CBR (26 golpes) CBR (12 golpes)
sodio
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
8
13
16
22
18
16
14
6
10
12
16
13
11
10
4
7
9
13
11
9
7
Ilustración 8 Resultados CBR
Ilustración 9 Grafica CBR seco
42
Peso unitario
maximo seco
(kN/m3)
Humedad
optima (%)
15,2
15,3
15,5
15,7
15,7
15,8
15,9
20,4
24,8
25,3
26,4
27,1
27,4
28
Datos de CBR de especimenes sometidos a 4 días en inmersión total en agua.
Dosificaciones CBR (56 golpes) CBR (26 golpes) CBR (12 golpes)
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
5
7
10
14
12
10
9
4
5
8
10
8
7
7
3
4
6
7
6
6
4
Peso unitario
maximo seco
(kN/m3)
15,2
15,3
15,5
15,7
15,7
15,8
15,9
Humedad
optima (%)
20,4
24,8
25,3
26,4
27,1
27,4
28
Ilustración 10 Resultados CBR inmersión 4 días
Ilustración 11 Grafica CBR inmersión 4 días
Tal como se evidencia en las dos graficas obtenidas de los datos de CBR a
temperatura ambiente y en inmersión total en agua durante 4 días, se obtiene que
el porcentaje óptimo aproximado de silicato de sodio para este tipo de suelo sea
43
del 6,4%. Siendo este el porcentaje de aditivo donde el suelo presenta mejores
propiedades en capacidad de soporte respecto a los demás porcentajes.
El valor de la capacidad de soporte obtenido con 6,4% aproximadamente de
estabilizador es de 14% lo que evidencia un aumento en comparación con el
obtenido de la muestra de suelo en condiciones naturales cuyo valor es de 5%.
Datos de CBR: Relación Estado Seco vs. Estado Saturado
Dosificaciones
de silicato de CBR (56 golpes) CBR (26 golpes) CBR (12 golpes)
sodio
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
62,5
53,8
62,5
63,6
66,7
62,5
64,3
66,7
50,0
66,7
62,5
61,5
63,6
70,0
Ilustración 12 Comparación CBR seco vs CBR inmersión
Ilustración 13 Grafica CBR seco vs CBR inmersión
44
75,0
57,1
66,7
53,8
54,5
66,7
57,1
Se realizó la relación entre las dos condiciones de CBR en estado seco a
temperatura y humedad ambiente y los datos de CBR en inmersión total en agua
durante cuatro (4) días.
En esta grafica se logra evidenciar que el porcentaje de capacidad de soporte, en
el caso de presentar un aumento del nivel freático, afectara el valor CBR del suelo
disminuyendo su capacidad de soporte entre 50% al 70% en relación al obtenido
en la muestra en estado seco al aire.
Peso unitario máximo seco vs. %
dosificación
Peso unitario
Dosificaciones
maximo seco
(kN/m3)
0%
15,2
2%
15,3
4%
15,5
6%
15,7
8%
15,7
10%
15,8
12%
15,9
Ilustración 14 Datos peso unitario máximo seco
45
Ilustración 15 Grafico peso unitario seco vs % dosificación
Los datos obtenidos del ensayo de proctor modificado en cada una de las
muestras de suelo estabilizadas con las diferentes dosificaciones de silicato de
sodio, evidencian que el suelo presenta un aumento relativamente bajo en
comparación con la densidad máxima seca del suelo en estado natural, debido a
que el silicato de sodio tiene una densidad de 2,4 g/cm3 siendo esta mayor a la
del suelo, que produce en el suelo un aumento en su densidad a medida que el
porcentaje de adición de aditivo aumenta.
46
Ilustración 16 Grafica Compresión simple
Para el ensayo de compresión simple se obtuvo de cada una de las dosificaciones
la media aritmética de los dos (2) grupos conformados por tres (3) briquetas en
estado seco al aire y tres (3) en estado saturado, ambos con un periodo de curado
de siete (7) días.
En la gráfica, de resistencia a la compresión simple v.s
porcentaje de dosificación, es evidente la tendencia de las dos condiciones
formando una campana de gauss donde el pico de la curva se encuentra en la
dosificación del 6,4% aproximadamente y corrobora el dato obtenido en las curvas
de CBR donde la dosificación optima aproximada de silicato de sodio también se
encuentra en el 6,4%.
47
Ilustración 17 Grafica resistencia conservada
La relación realizada entre la media aritmética obtenida entre los resultados de
resistencia a la compresión de las briquetas en condición saturada sobre y las
briquetas en estado seco al aire, demuestra que la resistencia conservada que se
obtiene del suelo en estado saturado es aproximadamente un 20% con relación a
la conseguida en el estado seco al aire a temperatura y humedad ambiente. Por lo
tanto, la perdida en capacidad de resistencia del suelo se encuentra alrededor de
un 80% en la situación que el suelo presente una inmersión total.
También ratifica que el porcentaje óptimo aproximado de dosificación para este
tipo de suelo se encuentra en un 6,4%, siendo este el porcentaje donde el suelo
presenta mejores condiciones de resistencia a la compresión.
48
12. Procedimiento constructivo.
Por medio el siguiente cuadro, manejamos los pasos generales que son
necesarios en el proceso constructivo de la estabilización de un suelo con
cemento sobre un suelo arenoso.
ETAPAS
OBJETIVO
EQUIPOS USUALES
ETAPAS PREVIAS A LA EJECUCION
1. Clasificación del suelo
Identificación de la naturaleza y
características del suelo
Ensayos de laboratorio
(granulometría, plasticidad,
humedad, materia orgánica, etc.)
2. Elección y estudio de
dosificación del conglomerante
Definición del conglomerante y
ensayos para definir la dosificación
Estudio de laboratorio (Proctor,
CBR, resistencia)
ETAPAS DURANTE A LA EJECUCION
1. Preparación del suelo
a-)Escarificado y disgregación
Disgregar el suelo
*Pala, bulldozer o motoniveladora
con ripper
b-)Eliminación de gruesos
Suprimir elementos de tamaño
superior a 80 mm
*Equipos mecánicos o agrícolas
*Machacadora in situ
c-) Nivelación
Obtención de la rasante
*Motoniveladora
d-)Aireación o humectación
Conseguir la humedad optima
*Alineación: ripper o estabilizadora
Proctor (incluyendo la de aportación *Humectación: camión cisterna con
en el caso de vía húmeda)
barrera regadora.
2. Distribución del
conglomerante
-por vía seca
-por vía húmeda
Aporte del conglomerante con la
dotación requerida de acuerdo con
la fórmula de trabajo y el espesor a
tratar
3. Mezclado
Mezcla del suelo con el
conglomerante y el agua, logrando
una mezcla homogénea
4. Compactación inicial
5. Refino
6. Compactación final
Obtención de la densidad en el
fondo de la capa, pre compactando
el suelo.
Obtención de la rasante definitiva.
Mejora de la regularidad superficial
*Manual (cuadricula de sacos)
(solo en obras de reducido tamaño
o importancia) *Distribuidor de
conglomerante (en polvo o
lechada)
*Pulvimier o rotavator (solo en
obras de reducido tamaño o
importancia) *Recicladoraestabilizadora
*Rodillo liso vibrante
*Motoniveladora
Obtención de la densidad requerida *Rodillo liso vibrante + rodillo de
(> 97 - 98% de la máxima Proctor
neumáticos en ocasiones
modificado)
*Rodillo mixto
49
7. Riego de curado
-Con agua
-Con emulsión
Mantener la superficie húmeda
Crear una película impermeable
*Cuba de agua con barra
pulverizadora
*Cuba de
emulsión y lanza
*Cuba de emulsión con barra
regadora
8. Protección superficial en caso
necesario
Proteger el riego de curado con
emulsión si va a circular trafico
sobre el mismo
*Extendedora de gravilla y rodillo
de neumáticos
Ilustración 18 Proceso constructivo 19
Realizar el proceso anterior sobre un suelo cohesivo como el que ha sido objeto
de la presente investigación no es posible, debido a que, los resultados
aproximados obtenidos de los ensayos que han sido realizados bajo condiciones
controladas en el laboratorio, no permiten justificar el uso de silicato de sodio
sobre un suelo de estas características en el sitio de la obra.
Para realizar la incorporación del estabilizador químico en el suelo, se tuvo que
realizar la separación manual de la masa de arcillosa y a su vez ser secada al
horno, siendo esta una de las principales desventajas, porque en grandes
volúmenes de suelo no es factible realizar esta incorporación como fue realizada
en el laboratorio, por la cohesión que se presenta entre las partículas de arcilla
presente en este tipo de suelo y el tiempo que podría tardar en secarse a
temperatura y humedad ambiente.
Por lo tanto, esta investigación pretende evaluar el comportamiento del silicato
dentro de un suelo cohesivo, Adicionalmente, servir como base para futuras
investigaciones en las cuales se busque plantear los lineamientos del uso de
silicato de sodio como estabilizador químico de suelos cohesivos o friccionantes.
19
Proceso constructivo, Guías Técnicas “Estabilización de suelos con cemento” – Instituto Español del
Cemento y sus aplicaciones IECA, página 9.
50
13. Diseño de Estructura de Pavimento Flexible.
En el presente capitulo se realizara el diseño de pavimento flexible con los datos
de CBR del suelo en estado natural y el diseño con el valor de CBR que fue
obtenido con el porcentaje aproximado de 6,4% de silicato de sodio, con el cual
fue posible obtener el valor de 14% CBR del suelo mejorado.
Lo anterior con el fin de lograr comprar técnicamente la incidencia del silicato de
sodio sobre un suelo arcilloso de alta plasticidad (CH), puesto que es posible
visualizar los cambios en el diseño de la estructura cuando se incorpora en el
suelo el estabilizador.
12.1. Diseño método AASHTO
A continuación se presentan los espesores de las estructuras determinadas por el
método AASHTO para la vía proyectada, con base en el tránsito T3 20. El diseño
por el método AASHTO, se efectuó para estructuras en pavimento flexible sobre
rellenos de materiales granulares. Los datos de entrada adoptados para el método
AASHTO se relacionan a continuación:
12.1.1 Variables de diseño

Periodos de diseño (n) = 10 Años

Tránsito: 3’000.000 de ejes equivalentes de 8,2 toneladas.

Confiabilidad: (R) 95%

Desviación estándar total: S0 = 0.45 por la incertidumbre en el tránsito.

Subrasante: El módulo resiliente de la subrasante se presenta en la tabla 1,
de acuerdo a la sectorización efectuada a partir de los resultados de los
20
Especificaciones técnicas IDU 2011, SECCION 107-11, Desarrollo de trabajos, tabla 107.1 “Categorías de
tránsito.”
51
CBR correlacionados.
El módulo resiliente para la zona de diseño se calculó mediante la siguiente
ecuación de cálculo.
Mr (Kg/cm2) = 100 CBR
12.1.2. Selección de los espesores de las capas y dimensionamiento.
Los espesores de las diferentes capas que conforman las estructuras del
pavimento para la vía objeto de estudio, se determinan con base en la fórmula de
AASHTO, conocido el numero estructural SN y en función de los coeficientes
estructurales y los coeficientes de drenaje para cada capa.
SN = a1 D1 + a2 m2 D2 + a3 m3 D3 + a4m4D4
Donde:

SN = número estructural.

Dn = espesores de las capas estructurales de concreto asfáltico, base y
subbase granulares, capa de mejoramiento.

an = coeficientes estructurales.

mn = coeficiente de drenaje.
La modelación de la estructura se realizó para cumplir los requerimientos de
tránsito, iterando y cumpliendo con los espesores mínimos recomendados por la
guía AASHTO y se obtuvieron los siguientes para las vías en estudio. Estos
espesores se presentan para una vida de diseño de 10 años.
52
A continuación se realizaron los diseños de estructura de pavimento flexible con el
fin de comparar los espesores de capa que se podrían obtener, con el suelo
natural y con el suelo mejorado.
En la siguiente tabla se muestra el diseño de la estructura de pavimento diseñado
con el valor de CBR de laboratorio obtenido del ensayo realizado sobre la muestra
de suelo natural, con un valor de CBR de 5%.
Modelo aproximado para CBR 5% subrasante natural
Capa
ai
di (pulg)
Mi
SN
Concreto asfáltico
0,44
5,91
----2,57
Base granular
0,14
5,91
0,9
0,74
Subbase granular
0,11
9,84
0,9
0,99
SN = a1d1 + a2d2m2 + a3d3m3 + ...+ andnmn =
4,30
di (cm)
15
15
25
SN Pav imento
Ilustración 19 tabla espesores de diseño CBR 5%
Concreto asfáltico
0,15 m
Base granular
0,15 m
Subbase granular
0,25 m
Geotextil no tejido
Subrasante
(Suelo natural.)
Ilustración 20 Grafico estructura de pavimento, diseño CBR 5%
Por último, el diseño de la estructura de pavimento diseñada con el valor de CBR
de laboratorio, obtenido de las curvas de relación de porcentaje de dosificación v.s
datos de CBR de los ensayos realizados sobre cada una de las muestras que
53
fueron estabilizadas químicamente. Las cuales arrojaron un valor aproximado de
dosificación de silicato de sodio de 6,4%, dentro del cual es posible relacionar un
porcentaje de CBR aproximado de 14%.
Modelo aproximado para CBR 14% subrasante
Capa
ai
di (pulg)
Concreto asfáltico
0,44
5,91
Base granular
0,14
5,91
mejorada quimicamente
Mi
SN
di (cm)
----2,57
15
0,9
0,74
15
SN = a1d1 + a2d2m2 + a3d3m3 + ...+ andnmn =
3,31
SN Pav imento
Ilustración 21 tabla espesores de diseño CBR 14%
Concreto asfáltico
0,15 m
Base granular
0,15 m
Geotextil no tejido
Subrasante
(Suelo natural estabilizado quimicamente)
Ilustración 22 Grafico estructura de pavimento, diseño CBR 14%
Por lo tanto, a continuación se presenta una relación en los costos del valor de 1
m² de estructura de pavimento y el posible ahorro que se puede presentar dentro
de un proyecto vial, haciendo uso de silicato de sodio como estabilizador químico
para el mejoramiento de la capa de subrasante.
54
RELACIÓN DE COSTOS
Estructura diseñada con un CBR del 5%
Descripción
Espesor (m) Valor m³ en pesos ($)
0,15
Concreto asfaltico tipo MD-12
Base Granular tipo BG_A
Subbase Granular tipo SBG_A
0,15
0,25
$
$
$
420.000,00
245.000,00
190.000,00
Total m³
$
$
$
63.000,00
36.750,00
47.500,00
Valor m² de pavimento $
147.250,00
Estructura diseñada con un CBR del 14%
Descripción
Concreto asfaltico tipo MD-12
Base Granular tipo BG_A
Espesor (m) Valor m³ en pesos ($)
0,15
$
420.000,00
0,15
$
Total m³
63.000,00
$
36.750,00
Valor m² de pavimento $
99.750,00
$
245.000,00
Ilustración 23 tabla Diferencia de costos de las estructuras de pavimento.
55
13. CONCLUSIONES.
Efectuado el análisis de resultados de los datos arrojados por los ensayos de
laboratorio practicados a las muestras de suelo, al igual que la investigación
realizada referente al silicato de sodio como estabilizador, nos permite concluir lo
siguiente:
La muestra de suelo obtenida para el desarrollo de este proyecto se clasifico como
una como una arcilla de alta plasticidad con presencia de un porcentaje muy bajo
de arena fina, esto es obtenido desde su composición granulométrica; según la
clasificación S.U.C.S y ASHTOO se denota como una CH.
Sobre las siete (7) muestras de suelo que fueron estabilizadas con silicato de
sodio y fueron sometidas a ensayos de CBR de laboratorio método 1, proctor
modificado y resistencia a la compresión, se logró establecer que el porcentaje
necesario de silicato de sodio es del 6,4% aproximadamente, siendo este el
porcentaje optimo que mejora las características y propiedades geo-mecánicas del
suelo.
De acuerdo a las pruebas de laboratorio realizadas se evidencia que la dificultad
para que el silicato de sodio funcione como aditivo estabilizador dentro de un suelo
de características muy finas, es su alta viscosidad, puesto que no permite que
llene completamente los vacíos presentes en este tipo de suelo.
La estabilización química realizada con silicato de sodio en un suelo arcilloso con
un tamaño de partículas muy finas y plasticidad alta, no genera un mejoramiento
significativo en las propiedades geo-mecánicas de este tipo de suelo, debido a que
su densidad varia muy poco y el aumento en la capacidad de soporte y resistencia
56
a la compresión no es el mejor comparado con la realizada con un estabilizador
conocido como el cemento portland y/o la cal.
Los resultados obtenidos de los laboratorios practicados, nos permiten aseverar
que el aditivo químico como tal no permite una gran mejora sobre la plasticidad de
la muestra, debido a que no se comporta como agente cementante dentro de
suelos con bajo contenido de arena, esto se vislumbra en la tendencia de los
datos de capacidad de soporte y peso unitario máximo puesto que no presenta un
mejoramiento en esas características.
Sobre la ejecución de los ensayos de laboratorio se evidencia que existen
inconvenientes en la incorporación del silicato de sodio en un suelo cohesivo,
puesto que, en el laboratorio se realiza sobre la muestra un proceso manual y se
trabaja con la muestra en estado seco al horno, con el fin de poder mezclar el
suelo correctamente con el estabilizador. Este proceso no puede ser realizado
sobre el suelo en el sitio de la obra puesto que no existe un procedimiento que
permita secar grandes volúmenes de arcilla de alta plasticidad de forma rápida y
de esta manera lograr realizar la incorporación del estabilizador, como se hizo en
el laboratorio.
En el procedimiento de relación de costos se evidencia una reducción de costos
directos en la construcción de la estructura de pavimento, puesto que, es posible
con el silicato de sodio remplazar la capa de subbase de la estructura de
pavimento por una de suelo natural mejorado químicamente, de la cual se puede
obtener un ahorro aproximado de 50.000 pesos por metro cuadrado de estructura
de pavimento.
De los datos de porcentaje de CBR obtenidos en el laboratorio se evidencio que
es posible realizar la estabilización con silicato de sodio, puesto que en el diseño
de pavimento se visualiza que puede llegar a mejorar la subrasante, hasta el punto
57
de lograr remplazar la capa de subbase granular utilizando el material del suelo de
la subrasante mejorado químicamente con silicato de sodio.
Puesto que el resultado esperado no fue completamente satisfactorio en
comparación a otras estabilizaciones comprobadas, ya que, las propiedades del
suelo evaluado no son del todo compatibles con las características del
estabilizador. Por tal motivo se logró determinar que el uso de este producto no es
el adecuado para suelos arcillosos de alta plasticidad por presentar dificultades en
la incorporación del estabilizador en el suelo. Como recomendación para futuras
investigaciones se plantea realizar esta estabilización en un suelo arenoso.
58
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Norma de ensayo I.N.V E – 142 – 13 “Relaciones de humedad – masa
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59
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60