¡La universidad de todos! Tema: ADMINISTRACIÓN DE LA INFORMACIÓN Docente: Lic. Armando Plata Pérez Escuela Profesional INGENIERÍA INDUSTRIAL Periodo académico: Semestre: Unidad: Título del tema SUELOS ESTABILIZADOS CON CAL INTRODUCCION • En la presente se hablará sobre los materiales, está enfocada a la aplicación de la cal para la mejora de suelos arcillosos, sin entrar a considerar otros usos y posibilidades de dicho tratamiento que deben ser objeto de estudios particulares. En ella se repasan someramente los principios que gobiernan el proceso y se analizará tanto la situación normativa de los tratamientos de suelo con cal como la técnica de su diseño. No se trata en la misma temas sobre la ejecución ni sobre el control, encomendados a otros ponentes Orientaciones NORMA EG-2013 “301.B.01” • Consiste en la construcción de una o más capas de suelos estabilizados con cal, de acuerdo con las estas especificaciones técnicas, así como de las dimensiones, alineamientos y secciones transversales indicados en el proyecto. Contenidos temáticos MODIFICACION DE SUELOS ARCILLOSOS CON CAL • La adición de cal a un suelo con una fracción de partículas finas relevante modifica su comportamiento por una conjunción de sus propiedades. En este apartado se describen los mecanismos que intervienen en este proceso, que se resume fundamentalmente en dos manifestaciones típicas: a) Una modificación de la textura del suelo b) Un incremento de su resistencia. • Estos hechos se producen en mayor o menor medida según el tipo de suelos, su granulometría y mineralogía, y el de la cal empleada, en función de su riqueza y actividad. Su justificación está en la alteración del estado natural de ambos materiales por las reacciones químicas que se producen en la interacción de sus estructuras. Subtítulos del tema INTERACCION DE LA CAL SOBRE UN SUELO En la mezcla de la cal con un suelo arcilloso se producen dos tipos de reacción que se pueden agrupar según sus manifestaciones en: a) Una modificación “inmediata” de las condiciones de granulometría, textura y compacidad originada por: • Intercambio de iones entre la arcilla y la cal • Floculación de las partículas de arcilla • Reducción de la cantidad de agua adsorbida por la arcilla b) Una mejora de las características resistentes del suelo a medio y largo plazo, producida por: • Reacción pusilánima de cementación • Carbonatación • Amén de por los tipos de efectos, es posible definir una serie de diferencias entre los grupos citados que justifican la clasificación expuesta. Conclusiones y/o actividades de investigación sugeridas FLOCULACION Y AGLOMERACION DE PARTICULAS • Como se ha citado, el fenómeno del intercambio iónico por cationes de mayor valencia reduce el espesor de la capa doble de la arcilla. Ello genera que se reduzca pues la zona de alta presencia de cationes que separa una partícula de otra, tan to por concentración como por repulsión eléctrica. Por tanto, se consigue que se aproximen las partículas y esto da lugar a nuevas fuerzas de atracción entre ellas • El hecho de que se pongan en contacto nuevas partículas de arcilla y se generen fuerzas de atracción entre ellas origina unas nuevas agrupaciones de partículas que antes estaban dispersas o separadas formando flóculos o conjuntos de partículas. • Este mecanismo se favorece evidentemente con una mayor concentración de electrólito o de cationes a intercambiar en el medio en que se encuentran las partículas de arcilla. Pero también se favorece por la presencia de valores altos de pH en el medio, como el que aporta especialmente la presencia de la cal. MODIFICACION DE LA TEXTURA Y CONSISTENCIA • El fenómeno de la floculación descrito tiene además una consecuencia indirecta de gran importancia sobre las estructuras de los suelos arcillosos. Se basa esta consecuencia en que la aglomeración de las partículas se produce desordenando la estructura laminar estable que hasta ese momento presentaba la arcilla. • • Como conclusión de todo este conjunto de mecanismos de alteración de la forma y distribución de las partículas, se obtiene que un suelo arcilloso de comportamiento característico plástico, ante la adición de cal experimenta los siguientes fenómenos descritos: • Una estabilización del des equilibrio eléctrico de las partículas que elimina la propensión a modificaciones en el suelo. • Una reducción de la importancia de la capa doble y del contenido de agua adsorbida en torno a las partículas que reduce su susceptibilidad a los cambios de humedad • Un aumento de los huecos en la masa suelo-cal con respecto al volumen inicial del suelo. • Un desorden de las partículas que le lleva a un comportamiento menos cohesivo basado en el rozamiento de las partículas del suelo. Con relación a este último aspecto hay que citar que el desorden y cambio de comportamiento conlleva una mayor consistencia entendida ésta como un aumento en la capacidad portante del suelo. MATERIALES • SUELO El material por estabilizar con cal podrá ser material de afirmado o provenir, de la escarificación de la capa superficial existente o ser un suelo natural proveniente de. • Excavaciones o zonas de préstamo. • Agregados locales. • Mezclas de ellos. Cual fuere el material debe de estar limpio de material orgánico o sustancias que pueden perjudicar la mescla, también deberá de cumplir rigurosamente lo siguientes requisitos generales: A. GRANULOMETRIA (AGREGADOS) La granulometría del material a estabilizar puede corresponder a los siguientes tipos de suelos A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6 y A-7. Además, el tamaño máximo no podrá ser mayor de 5 cm (2”). o 1/3 del espesor de la capa compactada. B. PLASTICIDAD La fracción inferior del tamiz de 425 mm (N.º 40) deberá presentar un Límite Líquido inferior a 40 y un Índice Plástico comprendido entre 10 y 50%, determinados según normas de ensayo MTC E 110 y MTC E 111. EFECTOS DE LA APLICACIÓN DE LA CAL • Como consecuencia de la combinación de los mecanismos descritos en el apartado anterior, la aplicación de cal a un suelo arcilloso origina una modificación en las propiedades físicas características de su comportamiento inicial. • • Si bien ya se ha mencionado que en función de la mineralogía del suelo y de la proporción y forma de aplicación de cal se producen unos u otros procesos en mayor o menor medida, es posible resumir y englobar los efectos más genéricos de la mejora en los que siguen: • • • • • • • • • Reducción de la humedad natural del suelo Modificación de la granulometría Aumento de la permeabilidad Mayor trabajabilidad Reducción del índice de plasticidad Reducción del potencial de cambios volumétricos Modificación de las características de compactación Aumento inmediato de la consistencia Mayor resistencia a medio y largo plazo REDUCCION DE LA HUMEDAD NATURAL DEL SUELO • Es evidente que este efecto sólo se produce cuando la cal se aplica en forma de cal viva en polvo. El proceso, ya descrito en las propiedades de la cal se basa en que para la hidratación de los óxidos de calcio existentes en la adición y su conversión en hidróxidos cálcicos, se toma el agua precisa de la presente en la masa del suelo. Además, y dado que la reacción que se produce es exotérmica, el propio calor producido en la hidratación facilita la evaporación del exceso de humedad. Es, al fin y al cabo, la producción del apagado de la cal en el suelo húmedo que se quiere secar. • • • • • • • • MODIFICACIÓN DE LA GRANULOMETRÍA AUMENTO DE LA PERMEABILIDAD MAYOR TRABAJABILIDAD REDUCCIÓN DEL ÍNDICE DE PLASTICIDAD REDUCCIÓN DEL POTENCIAL DE CAMBIOS VOLUMÉTRICOS MODIFICACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE COMPACTACIÓN AUMENTO INMEDIATO DE LA CONSISTENCIA MAYOR RESISTENCIA A LARGO PLAZO SUELOS ESTABILIZADOS CON CLORURO DE SODIO INTRODUCCION Se presentan y discuten los principales resultados obtenidos en un estudio experimental, destinado a evaluar la estabilización con cloruro de sodio (NaCl) en suelos arcillosos, encaminados a la aplicación en terracerías de las vías terrestres. Se determina la influencia de la sal en las propiedades físicas y mecánicas, variando los porcentajes de la sal adicionada al suelo. EG-2013- GENERALIDADES Consiste en la construcción de una o más capas de suelos estabilizados con sales, entre los cuales se encuentran el Cloruro de Sodio, Cloruro de Calcio y Cloruro de Magnesio, de acuerdo con las estas especificaciones técnicas, así como de las dimensiones, alineamientos y secciones transversales indicados en el Proyecto. Este tipo de estabilizaciones son recomendables en carreteras donde existan bajas precipitaciones pluviales (hasta 150 mm/año) y altitudes hasta 500 m.s.n.m. • La estabilización de los suelos en la ingeniería práctica, particularmente en las vías terrestres, ha sido una técnica ampliamente utilizada para mejorar el comportamiento esfuerzo deformación de los suelos. • El mejoramiento de los suelos ha atendido a diversos requerimientos, tales como la resistencia al esfuerzo cortante, la deformabilidad o compresibilidad, la estabilidad volumétrica ante la presencia de agua, entre otros, buscando en todos los casos, un buen comportamiento esfuerzo deformación de los suelos y de la estructura que se coloque sobre ellos, a lo largo de su vida útil. • En los terrenos arcillosos, particularmente en climas áridos o semiáridos, es altamente probable encontrar problemas relacionados con inestabilidades volumétricas ante la ganancia o pérdida de agua. Existen en la práctica diversos métodos para estabilizar a tales suelos; cada método, utiliza diferentes agentes estabilizadores, entre los que se pueden encontrar: • • • • • • La cal El cemento Pórtland Productos asfálticos Ácidos orgánicos Resinas y polímeros Sales, entre otros CLASIFICACION DE SUELOS CON FINES DE ESTABILIZACION • Existen varios sistemas para clasificar a los suelos con fines de estabilización, uno de los más conocidos es el que se basa en el tamaño, forma y arreglo de las partículas y conocido como sistema Northcote, en donde se divide al suelo en los grupos fundamentales siguientes: DESCRIPCION SIMBOLICO Suelos con perfil de textura uniforme U Suelos con perfil de textura gradual G Suelos con perfil de textura doble D Suelos orgánicos O MATERIALES SUELO • • • • • • • Los suelos que se usen para la construcción del suelo–cloruro de sodio pueden provenir, en todo o en parte, de préstamos seleccionados. Los sitios de préstamo estarán considerados en el Proyecto. El Proyecto señalará y establecerá en los respectivos planos de construcción del suelo–cloruro de sodio la procedencia del suelo a estabilizar, pudiendo ser de cantera o los que se encuentran en la superficie de la vía, bien sea en el corte o en la capa superior del terraplén. Los suelos que se usen para la construcción de suelo-sal deben estar limpios y no deben tener más del 3% de su peso de materia orgánica. El índice de plasticidad del suelo debe ser mayor a 8%, pero para la fracción de suelos que pasa la malla N.º 200, el requerimiento mínimo es de 12%. No obstante, para mayores índices de plasticidad del suelo, se permite aceptar para la fracción de suelos que pasa la malla N.º 200, menores valores de IP hasta un límite no menor al 9%. AGUA El agua que se use para la construcción de bases de suelo–sal debe estar limpia, no debe contener materia orgánica y estar libre de aceites, ácidos y álcalis perjudiciales. Se podrá incorporar al agua, Cloruro de sodio, produciendo salmuera o también podrá aplicarse el agua de mar, mediante riego de salmueras, verificando que la cantidad de agua regada contenga la dosis adecuada de sal. El valor de pH, medido de acuerdo con la norma NTP 339.073 deberá encontrarse entre 5,0 y 8,0 y el contenido de sulfatos, expresado como SO4 determinado según la norma NTP 339.074, no podrá ser superior a 1.000 ppm. COMO REALIZAR LA MEZCLA Previo a la ejecución de la estabilización se deben efectuar los siguientes controles: • • • • • • Granulometría del suelo a estabilizar por Límite de Atterberg. Densidad máxima compactada por Humedad de compactación. pH del suelo y/o mezcla. pH del cloruro de sodio (debe cumplir especificado por el fabricante). Contenido de materia orgánica del suelo. Dosificación del cloruro de sodio a emplear. Los ensayos para determinar el porcentaje de sal y los demás requisitos que debe satisfacer la mezcla de suelo-sal deben ser ejecutados con los materiales que se vayan a usar, incluyendo el agua de mezclado. Cuando la mezcla de suelo-sal se use para la construcción de capas estructurales debe tener los valores C.B.R. SUELOS ESTABILIZADOS CON EMULISION ASFALTICA Consiste en la construcción de una o más capas de suelos estabilizados con emulsión asfáltica catiónica, de acuerdo con las estas especificaciones técnicas, así como de las dimensiones, alineamientos y secciones transversales indicados en los documentos del Proyecto. La emulsión asfáltica catiónica utilizado para la estabilización de la vía, proviene de la composición de tres elementos básicos: asfalto, agua y un agente emulsificante (tensoactivo); la emulsión asfáltica puede ser modificada con polímeros o contener otros aditivos, dependiendo de la formulación del fabricante. El asfalto es el componente base de la emulsión y constituye entre un 60 y 75%. El poder cementante del asfalto como componente de la emulsión conlleva a que fije a los agregados en posiciones adecuadas para trasmitir las cargas aplicadas a las capas inferiores. El proyecto debe indicar los sitios de la vía en los cuales se construirá el sueloemulsión; debe establecerse el pre diseño indicando las proporciones de la(s) mezcla(s) que se vayan a usar en cada sitio; y debe determinar el espesor correspondiente en cada caso. La respuesta y duración de la estabilización suelo-emulsión estará sujeta a los siguientes factores: • • • • Dureza, gradación del suelo y tipo y calidad de emulsión. Afinidad del suelo con la emulsión. Calidad del drenaje existente. Calidad de la ejecución de manera que se respeten las dosificaciones materiales, tipo y composición de la mezcla y utilización de equipos de acuerdo a las condiciones del Proyecto. DISEÑO DEL ASFÁLTICA. MATERIAL GRANULAR ESTABILIZADO CON EMULSIÓN No existe un procedimiento de diseño de suelos estabilizados con emulsión que sea definitivo y existen distintas propuestas tales como: • • • • Método de compresión simple y pérdida de estabilidad. Método Argentino. Método Alemán. Método Marshall Modificado. Se debe tener en cuenta que los métodos listados líneas arriba tienen por finalidad determinar el contenido óptimo de asfalto residual, peso volumétrico máximo y el desempeño de este en condiciones de humedad y temperatura críticas. La investigación se realizó considerando la metodología Marshall Modificada propuesta por la Universidad de Illinois. El procedimiento de diseño será detallado en la siguiente subsección, sin embargo, este método básicamente consiste en fabricar especímenes cilíndricos, para obtener parámetros de diseño que permitan determinar si el suelo estabilizado es adecuado para su aplicación en campo. Dichos parámetros son: • • • • • Estabilidad seca y húmeda. Flujo. Pérdida de estabilidad. Peso específico. Porcentaje de vacíos. CLASIFICACION DE EMULSIONES ASFALTICAS Las emulsiones asfálticas tienen la capacidad de vencer la tensión interfacial producida entre el agua y el asfalto, logrando dispersar el asfalto en la fase acuosa. Existen tres categorías de emulsiones asfálticas según su carga eléctrica: • Aniónicas, partículas de asfalto cargadas negativa. • Catiónicas, partículas de asfalto cargadas positivamente. • No iónicas, partículas sin carga (neutras). Las primeras dos categorías son las más utilizadas en los proyectos viales, a pesar de que se están realizando estudios y pruebas con emulsiones no iónicas que a futuro ganaran importancia a medida que la tecnología progrese. • En el mundo, se estima que el 90% de los agregados posee carga aniónica; por tal motivo, casi siempre se eligen emulsiones asfálticas catiónicas, sin embargo, es necesario realizar ensayos de compatibilidad emulsiónagregado para cerciorar que la combinación realizada es la adecuada. • • La investigación presenta resultados de suelos estabilizados con emulsión asfáltica catiónica de rotura lenta (CSS-1), fabricado por la empresa TDM ASFALTOS PROCEDIMIENTO DE DISEÑO. Cuando se diseñan mezclas asfálticas, existen diversas fórmulas para obtener el contenido mínimo tentativo de producto asfáltico, fórmulas que forman parte de ciertos métodos tales como el Método del Instituto del Asfalto o el Método de Marius Duriez. A diferencia de los suelos estabilizados, el diseño no contempla una fórmula que permita obtener dicho valor, ya que el contenido de producto asfaltico es ínfimo en comparación al contenido de una mezcla asfáltica. Generalmente el porcentaje de emulsión asfáltica para estabilizar suelos varía entre 3% y 6% del peso seco del suelo a estabilizar, sin embargo, la dosificación adecuada está sujeta a los resultados que se obtengan en el diseño en laboratorio y posteriormente en el tramo de prueba y a lo que se requiera o establezca en las especificaciones técnicas del proyecto. Estas muestras se compactan y someten a un curado durante 24 horas dentro del molde a temperatura ambiente, posteriormente se colocan en un horno a una temperatura de 38°C durante 24 horas. De las seis briquetas de cada muestra, la mitad será ensayada en el aparato Marshall (vía seca) una vez determinada la densidad especifica Bulk, mientras que la otra mitad será sometida a un ensayo de inmersión y vacío parcial (vía húmeda) para después obtener la densidad especifica Bulk y ser ensayadas de igual manera en el aparato Marshall 42 El cuarto paso se enfoca en el análisis e interpretación de resultados obtenidos, en donde se evalúan parámetros tales como: • • • • • • • Estabilidad seca y húmeda. Pérdida de estabilidad. Flujo en 1/100”. Densidad específica Bulk. Vacíos totales. Humedad absorbida. Recubrimiento. REQUERIMIENTOS DE CONSTRUCCIÓN EXPLOTACIÓN Y ELABORACIÓN DE MATERIALES. DISEÑO DE LA MEZCLA • Con suficiente antelación al inicio de los trabajos, el Contratista entregará al Supervisor, para su verificación, muestras representativas de los materiales (incluyendo el agua de mezclado) y emulsión asfáltica a emplear, avalados con los certificados de calidad y diseño de mezcla, que demuestren la conveniencia de su uso en relación al tipo de suelo. El Supervisor podrá autorizar el inicio de los trabajos, recién cuando el Contratista cuente con el Diseño de la Mezcla aprobado, la totalidad de los equipos necesarios para garantizar la continuidad de la obra y la asistencia técnica de parte del fabricante del estabilizador. Para el Diseño se empleará el procedimiento de Illinois del Instituto del Asfalto basado en la norma ASTM D-1559 o AASHTO T-245. El reporte del diseño debe especificar la siguiente información: • • • • • Contenido óptimo de emulsión (%). Contenido óptimo de residuo asfáltico (%). Recubrimiento de la mezcla (%). Humedad óptima para compactación (%). Estabilidad Marshall modificado (kg). PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE EXISTENTE En relación con la preparación de la superficie existente, se aplicarán los procedimientos descritos: Si el material por estabilizar es totalmente de aporte, antes de proceder con la estabilización, se comprobará que la superficie que va a servir de apoyo tenga la densidad mínima de 95% del ensayo de laboratorio de densidad - humedad, según MTC E 115, así como las dimensiones, alineamientos y perfil indicadas en el Proyecto o aprobadas por el Supervisor. TRANSPORTE DE AGREGADOS Cuando la estabilización incluya agregados de aporte, ellos se transportarán a la vía o a la planta de mezcla protegidos con lonas u otros protectores decuados, asegurados a la carrocería, de manera de impedir que parte del material caiga sobre las vías por donde transitan los vehículos. Igual precaución deberá tomarse durante el transporte a la vía de las mezclas elaboradas en planta. Durante el transporte de los suelos y agregados, estos serán protegidos con lonas u otros cobertores adecuados, asegurados a la carrocería y humedecidos, a fin de evitar derrames de material. DISGREGACIÓN DEL SUELO Antes de aplicar el estabilizador, el material a tratar, sea que haya sido escarificado en el lugar (in situ) o transportado desde los sitios de origen aprobados por el Supervisor, se disgregará con la máquina adecuada en el ancho y espesor suficientes de tal forma no contengan grumos y que permitan obtener la sección compactada indicada en el Proyecto o aprobada por el Supervisor. APLICACIÓN DE LA EMULSIÓN ASFÁLTICA La emulsión se aplicará sobre el suelo en la proporción prevista en el diseño aprobado por el Supervisor. La aplicación deberá efectuarse por medio de un tanque cisterna autopropulsado. Durante estas obras se tomará en cuenta que la emulsión esparcida no pase del área de trabajo. Los residuos y excedentes se colocarán en los DME, según lo dispuesto en la MEZCLA Después de aplicar la emulsión asfáltica y siempre que su empleo lo exija, se efectuará la mezcla en todo el espesor indicado en los planos u ordenado por el Supervisor, empleando para ello el equipo aprobado. El número de pasadas del equipo, será el necesario para obtener una mezcla homogénea. En caso de que se requiera, se añadirá el agua faltante y se continuará la mezcla hasta que la masa, resultante presente completa homogeneidad, garantizando las pendientes requeridas antes de proceder a la compactación. AIREACIÓN Antes de la compactación, se llevará a cabo la aireación de la mezcla para llegar a la humedad óptima determinada en laboratorio; el tiempo de duración estará sujeto al clima de la zona y será aprobada por la Supervisión. COMPACTACIÓN La compactación de la mezcla se realizará con el equipo propuesto por el Contratista y aprobado por el Supervisor durante la ejecución del tramo de prueba. Los trabajos de compactación deberán terminarse en el lapso que fije el Tramo de Prueba, contado desde el inicio de la mezcla. Si durante ese lapso no se logran las condiciones de compactación exigidas, el tramo se pondrá en observación. JUNTAS DE TRABAJO APERTURA AL TRÁNSITO La base compactada se protegerá contra la acción del tránsito automotor durante el período establecido por el fabricante de la emulsión utilizada, el cual debe estar especificado en el diseño aprobado. CONSERVACIÓN LIMITACIONES EN LA EJECUCIÓN En la ejecución de los trabajos, se observarán todas las precauciones en relación con las condiciones meteorológicas que recomiende el fabricante del producto estabilizante, que garanticen la obtención de una base durable y que cumpla las exigencias de esta especificación. ACEPTACIÓN DE LOS TRABAJOS CONTROLES Se deberá efectuar ensayos para el control de mezcla y de densidad y resistencia de ella luego de compactada. El Supervisor vigilará la ejecución de las consideraciones ambientales incluidas. Se deberá tener especial cuidado en el control del contenido óptimo de emulsión, trabajabilidad y recubrimiento de la mezcla y rotura de la emulsión. El control de la estabilidad se efectuará medianía el procedimiento de Illinois del Instituto del Asfalto basado en la norma ASTM D-1559 ó AASHTO T-245. CALIDAD DE LOS MATERIALES CALIDAD DE LA EMULSIÓN La certificación expedida por el fabricante de la emulsión, debe indicar entre otros la fecha de elaboración y despacho, el tipo y velocidad de rotura. Cuando el estabilizador se provea en estado líquido, la Supervisión tomará muestras representativas del lote, las que se analizarán de acuerdo ensayos en la siguiente tabla. CALIDAD DE LOS SUELOS De cada procedencia de los suelos y agregados de aporte empleados en la estabilización y para cualquier volumen previsto, se tomarán cuatro muestras y de cada fracción de ellas se determinarán: • La plasticidad de la fracción fina. • Contenido de sulfatos. ¡Gracias!
