4.1.- ESTABILIZACION DE SUELOS. 4.1.1.- Consideraciones Generales.Los suelos, mezcla de arena y arcilla, cualquiera que sea la proporción de sus elementos, cuando tienen una cantidad adecuada de humedad, son estables y pueden resistir perfectamente un trafico relativamente intensos sobre la arena, material incoherente.

Sin embargo el terreno natural tiene graves inconvenientes; solamente en momentos determinados es un firme estable; se convierte en polvo o barro en cuanto la proporción de humedad varía de la que exige, en cada caso, su naturaleza. La observación de los hechos indicados y el estudio científico de las propiedades de los suelos, ha creado una técnica de gran interés, para su estabilización, con un doble fin: construir caminos de costo reducido, perfectamente aceptables para ciertos limites de trafico, y cimientos capaces de soportar con la debida permanencia de sus características, las cargas que transmiten las capas de rodadura de alta calidad. Por ambos conceptos la trascendencia de esta técnica es grande.

La economía moderna obliga a llegar hasta los más recónditos lugares para poder utilizar los recursos del país. La red de caminos rurales necesita extenderse cada día mas y mas; el trafico en mucho de ellos es reducido, pero deben ser transitables en todo momento; no seria posible, dentro del problema económico en conjunto, dotar a estos caminos de firmes de calidad, de costo elevado; los de bajo precio, utilizando los materiales existentes al pie de la obra, son, en muchos casos, una solución excelente.

Por otra parte, mantener la calidad del suelo sobre el que se asientan las capas del pavimento con unas características aceptables en todo tiempo, es fundamental para el resultado del firme; por ello , en los últimos años se ha dedicado una preferente atención al estudio de la estabilización del suelo, cimiento de pavimento de alta calidad; su empleo permite llegar en muchos casos a espesores mucho mas reducido de las capas del firme con completa garantía; el conjunto del pavimento resulta mucho mas económico.

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TABLA Nº 11: TIPO DE ESTABILIZACIÓN PARA CADA SUELO. TIPO DE SUELO

TIPO DE ESTABILIZACION

Materia Orgánica

Estabilización mecánica. Los demás métodos no son efectivos.

Arenoso

Mecánica, cuando la granulometría es uniforme. Las arenas limpias pueden mejorar sus características con cemento o asfalto.

Limoso con algo de arcilla

En general, el único tratamiento al que son susceptibles es a la compactación.

Limosos poca o ninguna arcilla

No existen tratamientos económicos. Debe evitarse su uso en superficies expuestas por el polvo cuando secan.

Arcillosos plásticos

Responden a la estabilización con cal.

Arcillosos de textura abierta

Responden muy bien a la compactación.

Arcillas suaves

Susceptibles a la estabilización con cal.

Caolín

Estabilización mecánica con arena, cemento o cal.

Montmorillonita

Con cal.

Illita

Con cemento o cal.

4.1.2.- Conceptos Fundamentales de la Estabilización.El suelo se deforma bajo la acción de las cargas directas, o a las transmitidas por las capas del firme de alta calidad, si no tiene la debida resistencia; esta debe tener valores que no desciendan en ninguna circunstancia de los que exigen las cargas que ha de soportar. Es sabido que, especialmente en ciertos tipos de suelo, su resistencia varía ampliamente al cambiar la proporción del agua que contiene. Con la estabilización se pretende, en primer término lograr, que dentro de unas condiciones normales, el agua que el suelo pueda contener solamente varié entre límites muy pequeños; Se tendrá así una resistencia conocida y estable. Para ello se añaden y mezclan con el suelo diferentes productos hidrófobos, que transmiten esta propiedad al suelo, estabilizando sus características. Así sucede con los suelos predominantemente arcillosos y con los limosos, capaces de absorber y retener por absorción proporciones elevadas de agua; cuando están secos se disgregan y presentan una apreciable resistencia; pero cuando

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tienen una cierta cantidad de agua se hacen plásticos y deformables llegando incluso a fluidificarse; el cemento, los productos bituminosos y las diferentes clases de resinas y plásticos que se emplean en la estabilización, limitan la cantidad de agua que el suelo pueda contener , estabilizándolo. Los suelos cohesivos y suelos del tipo granular, que solamente tienen resistencia con un acierta cantidad de agua, que varía entre límites muy próximos, presentan cohesión aparente; si se quiere que tengan una cierta resistencia cuando estén secos, hay que mezclarlos con productos capaces de aglomerarlos, función que pueden cumplir los productos cohesivos; el material estabilizador tiene una doble función, dar al conjunto una determinada rigidez y mantener esta característica evitando que la posible absorción de agua exceda los límites convenientes; pero si la composición granulométrica del suelo granular no es adecuada, la proporción precisa del producto estabilizado resulta muy alta y puede resultar antieconómica; por ello, en muchos casos es corriente corregir el suelo, añadiendo al material granular, si económicamente es posible, el suelo cohesivo necesario y al conjunto, el producto preciso para cumplir la misión de darle la debida resistencia y mantener la debida proporción de humedad. Análogamente un suelo excesivamente plástico puede ser económicamente conveniente corregirlo añadiéndole una determinada proporción de material granular, previamente al empleo del producto estabilizador. La estabilización exige el cumplimiento de un aserie de condiciones comunes, que son las siguientes: 1. El suelo estabilizado deberá tener la resistencia precisa para soportar las cargas a que ha de estar sometido, bien sean transmitidas por las capas superiores del pavimento olas directas del tráfico, cuando constituya la capa de rodadura, esta resistencia mínima habrá de lograrse en las condiciones extremas, de humedad y acción del hielo, que se han de prever, según las características meteorológicas y de drenaje. 2. El cumplimiento del la condición anterior obligará a corregir el suelo natural, bien por la aportación de otros apropiados o por la adición de cemento, betún o diferentes productos químicos. La conveniencia del empleo de uno u otros, es cuestión económica.

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4.1.3.- Tipos de Estabilización.Existen diversos tipos de estabilización y mejoramientos de suelos para carreteras, en donde es importante tener conocimiento de conceptos teóricos, prácticos y experimentales sobre características y propiedades de los suelos en especial el comportamiento de los suelos finos, con la finalidad de obtener el método apropiado de estabilización que puede ser mecánica o química, para un tipo de suelo en especial teniendo en cuenta consideraciones climatológicas, regionales, criterios técnicos de resistencia-durabilidad y aspectos económicos. A. Método Granulométrico o de mezclas.Para estabilizar un suelo grueso o fino debemos tener en cuenta la distribución en tamaño de sus partículas, forma, textura, peso volumétrico, fricción interna y cohesión. Los suelos utilizables para la construcción de carreteras comúnmente son: Suelos que proceden de bancos naturales; como depósitos de arena del mar como arenas uniformes, o depósitos de ríos como gravas, arenas, limos y arcillas. Suelos procesados; Son aquellos suelos que se requiere procesarlos, ya que los suelos procedentes de bancos naturales son indeseables para la construcción de carreteras, por lo tanto necesitamos procesarlos de tal manera de mejorar su granulometría, proporcionar una alta densidad, buena distribución de tamaños de partículas, forma, textura para una buena separación de tamaños de partículas y redosificación, con el objetivo de conseguir buenas compacidades y un mejor efecto de consistencia. Suelos que proceden de bancos de préstamos; Son suelos utilizables y adecuados para construcción de carreteras, se extraen de excavaciones cercanas de la obra vial. Suelos del tipo especial; Son suelos que han sido modificados en sus propiedades físicas, químicas para obtener resultados adecuados y utilizables para carreteras, por ejemplo las escorias de altos hornos, cuando ocurre la fundición del fierro. La resistencia es una característica importante que deben tener los suelos para poder seleccionarlos, y está influenciada en proporciones de materiales que contengan finos o agregados gruesos. Los suelos que contengan pocos finos o sin finos y una buena distribución de tamaños presentan una importante estabilidad, permeabilidad y no son susceptibles a la acción de las heladas. El suelo que contiene suficiente cantidad de finos para llenar todos los vacíos entre partículas, incrementara su resistencia producto del contacto entre las partículas, donde la presencia de los finos permitirá una mejor distribución de los esfuerzos que en el 88

caso de suelos que no presenten finos, se obtendrá alto peso volumétrico, baja permeabilidad y puede ser susceptible a la acción de heladas, este tipo de material presenta problemas de compactación, pero desde el punto de vista de la estabilidad se tiene un esfuerzo cortante importante, ya sea para material sin confinar, así como material confinado. El suelo que contiene gran cantidad de finos, no tendrá trasmisión de esfuerzos, ya que no efectuará contacto entre las partículas gruesas, por la que flotaran en el suelo fino, teniendo como comportamiento un bajo peso volumétrico, es impermeable, disminución de resistencia y es susceptible a la acción de las heladas. Estabilización granulométrica con Escoria; La reutilización de residuos en la ingeniería civil presenta ventajas como la disminución del impacto ambiental del residuo, los ahorros energéticos como de materias primas así como beneficios económicos. Por ejemplo las escorias derivadas de las fundiciones, un residuo industrial que aparece en la refinación de minerales en hornos de alta temperatura. Hasta hace poco se consideraba un residuo cuyo destino era el vertedero, pero la tendencia actual es su utilización en las obras civiles y en la construcción. DEFINICION; La estabilización con escoria es la mezcla homogénea en este caso de áridos, escoria granulada de alto horno, cal y agua que, convenientemente compactada se mejora sus parámetros de resistencia y uno de sus mayores usos es en la construcción de bases y sub. Bases de carreteras. Condiciones generales; Los áridos procederán del machaqueo y trituración de piedra de cantera o grava natural. Serán limpios, sólidos y resistentes, de uniformidad razonable, exentos de polvo, suciedad, arcilla u otros materiales extraños. Composición granulométrica; La curva granulométrica estará comprendida, en general, dentro de los límites indicados en la tabla Nº 12. Cabe resaltar que las medidas de mallas mencionadas en este cuadro están regidos por las Normas Españolas.

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TABLA Nº 12: COMPOSICIÓN GRANULOMÉTRICA. TAMICES ACUMULADO QUE PASA (%) UNE (mm.) GEG 1 GEG 2 25

100

100

20

85-100

85-100

10

40-70

35-65

5

22-46

18-42

2,5

12-32

10-30

1,25

8-24

7-22

0,40

2-13

2-13

0,16

0-8

0-8

0,080

0-4

0-4

Los usos GEG 1 y GEG 2 se utilizarán con porcentajes de escoria granulada, respecto al peso total de los materiales secos, del quince por ciento (15 %) y del veinte por ciento (20 %) respectivamente. Caras de fractura; Los áridos a emplear en grava-escoria, para bases de tráfico pesado o medio, deberán contener al menos un cincuenta por ciento (50 %) en peso, de la fracción retenida por el tamiz 5 mm, de elementos machacados que presenten dos (2) caras o más de fractura. Calidad; El coeficiente de desgaste, medido por el ensayo de Los Ángeles, será inferior a treinta (30%) en áridos para bases de tráfico pesado o medio, e inferior a treinta y cinco (35%) en los restantes casos. Plasticidad; Los áridos serán no plásticos y su equivalente de arena será superior a treinta (30%). Contenido de materia orgánica y otras materias perjudiciales; No se utilizarán aquellos materiales que presenten una proporción de materia orgánica, expresada en ácido tánico, superior al cinco por diez mil (0,05 %), de acuerdo con la Norma UNE 7082.( Una Norma Española) La proporción de terrones de arcilla no excederá del dos por ciento (2 %) en peso, según la Norma UNE (Una Norma Española) 7133.

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Escoria granulada Definición; Se define como escoria granulada el producto obtenido por enfriamiento brusco y controlado de la escoria de horno alto, a la salida del mismo. Procedencia; El Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares o, en su defecto, el supervisor de las obras, fijará la procedencia de la escoria granulada, proscribiéndose el empleo de escorias que procedan de acopios siderúrgicos. Reactividad; El coeficiente de reactividad a, definido por la expresión  = (s·f)/1000 deberá ser superior a veinte (20%), siendo: s, la superficie especifica Blaine, y f, el tanto por ciento (%) en peso de los elementos que pasan por el tamiz 0,080 UNE, obtenidos en molienda normalizada de la escoria. Contenido de agua; Los valores máximos del contenido de agua h, respecto al peso seco de la escoria, en función del correspondiente coeficiente  de la escoria serán: 20 <  < 40

h < 15 %

40 <  < 60

h < 20 %

60 < 

h < 25 %

Granulometría; La curva granulométrica estará comprendida. En general dentro de los límites indicados en la Tabla Nº 13. Cabe resaltar que las medidas de

mallas

mencionadas en este cuadro están regidos por las Normas Españolas. TABLA Nº 13: ESTABILIZACIÓN GRANULOMÉTRICA. TAMIZ UNE CERNIDO PONDERAL ACUMULADO (%) (mm.) 5

95-100

2,5

75-100

1,25

40-85

0,40

13-35

0,16

3-14

0,080

1-10

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Cal; "Cal aérea", para el tipo I, deberá reunir las características que se indican a continuación: Cal apagada; La finura Blaine del material que pasa por el tamiz 0.080 UNE será superior a siete mil centímetros cuadrados por gramo (7.000 cm2/g), según la Norma UNE 7144. El porcentaje de cal libre será superior al cincuenta por ciento (50 %). Cal viva; Sólo podrá utilizarse en casos excepcionales, con la aprobación del Supervisor y siempre que se adopten las medidas de seguridad necesarias. El porcentaje de cal libre deberá ser superior al setenta por ciento (70 %). Agua; Cumplirá lo especificado en las normas que regulan la calidad de agua para obras de ingeniería civil. Tipo y Composición de la Mezcla El tipo y composición de la mezcla serán los definidos en el Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares. En general, el porcentaje de escoria granulada será del veinte por ciento (20 %) en peso de la mezcla total seca. Este porcentaje se reducirá al quince por ciento (15 %) cuando se empleen áridos calizos de machaqueo. Cuando el porcentaje de escorias sea del quince por ciento (15 %) la granulometría de los áridos estará comprendida en el huso GEG 1. Si el porcentaje de escorias es del veinte por ciento (20 %) la curva granulométrica del árido estará comprendida en el huso GEG 2. El contenido de cal será del uno por ciento (1 %) en peso de la mezcla total seca. El Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares podrá especificar la resistencia mínima a compresión a los siete días (7 d) de las probetas de grava-escoria, precisando el método de fabricación y curado de las mismas.

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Aplicaciones en Ejecución de las Obras Estudio de la mezcla y obtención de la fórmula de trabajo; La ejecución de la mezcla no deberá iniciarse hasta que no se haya estudiado y aprobado su correspondiente fórmula de trabajo. Dicha fórmula señalará:  Las granulometrías de los áridos y de la escoria por los tamices 25, 20, 10, 5,

2.5, 1.25, 0,4, 0.16 y 0.080 UNE (Una Norma Española).  La proporción de escoria granulada.  La proporción de cal.  El contenido de agua.  El valor mínimo de la densidad a obtener.

Las tolerancias admisibles respecto a la fórmula de trabajo serán las siguientes:  Cernido por tamices superiores al 2,5 UNE:

± 6%

 Cernido por tamices comprendidos entre el 2,5 y 0,16 UNE: ± 3%  Cernido por el tamiz 0,080 UNE: ± 1,5 %  Escoria granulada: ± 1%  Cal: ± 0,2 %

Estos porcentajes se refieren al peso total de la mezcla seca. Durante el transcurso de la obra el Supervisor podrá corregir la fórmula de trabajo con objeto de mejorar la calidad de la grava-escoria, justificándolo debidamente mediante un nuevo estudio y los ensayos oportunos.

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B. Estabilización con Cemento.El suelo cemento es una mezcla

de suelo pulverizado, con cemento Pórtland y

contenido de agua, que compactado a una humedad óptima y densidad máxima, produce luego de la hidratación del cemento un material resistente, durable y de bajo costo. Tiene aplicaciones de gran importancia en el diseño de pavimentos, las cuales podemos mencionar:

a) Como capa de base para: Caminos y calles de tránsito liviano. Superficie de tránsito secundario en aeropuertos. Playas de estacionamiento. b) Como capa de sub-base para: Pavimentos de concreto. Pavimentos suelo cemento. Pavimentos flexibles. c) Como sub rasante tratada. La estabilización suelo cemento es recomendable para suelos medianamente plásticos, por permitir lograr mas resistencia. La estabilización de suelos predominantemente finos con cemento no puede resistir tensiones horizontales por falta de fricción interna, por lo tanto no es recomendable para este tipo de suelos.

Este método de Estabilización Suelo-Cemento, es un proceso químico que se utiliza estabilizar y mejorar suelos, consiste en añadirle al suelo, cemento en seco y para proporciones de agua, con la finalidad de dar un buen fraguado y una compactación adecuada esto nos ayuda sobre todo a tener una buena disgregación de suelos finos, como son los suelos arcillosos fundamentalmente.

Como cada tipo de suelo requiere una cantidad adecuada de cemento para su estabilización, por lo tanto es importante tener en consideración las características, el comportamiento, así como las condiciones del terreno. Para suelos arenosos, se requiere una cantidad del 7 al 10% en volumen de cemento, mientras que, para suelos arcillosos, se requiere una cantidad de cemento en proporciones del 12 al 16% y aún mas en algunos casos, los suelos arcillosos requieren mucho mas cemento, que en los suelos 94

arenosos, por lo tanto estabilizar con cemento a un suelo muy arcilloso, es bastante costoso, sobre todo cuando el material de préstamo se encuentre en distancias muy grandes del lugar de la obra.

Con respecto a las proporciones de agua, se necesita la cantidad suficiente para hidratar al cemento y para lograr la compactación adecuada, como cierta parte del agua agregada al suelo se evapora y se pierde durante las operaciones de mezclado, es necesario incorporar al suelo una cantidad adicional de alrededor del 3% de agua, para que durante su compactación se encuentre con el óptimo contenido de humedad. El cemento, al hidratarse obtiene una mezcla muy dura y de mayor resistencia que la de un material sin estabilizar. Si en estas condiciones, le añadimos proporciones del 2% al 3% de cemento, probablemente modifiquen sus propiedades índices del suelo, pero sí las proporciones fuesen del 5% al 8%, pueden alterar con mayor facilidad sus propiedades.

El cemento al estar en contacto con el agua, produce el hidrato de calcio, donde se libera los iones de calcio muy ávidos de agua que están pegados a las laminas arcillosas, y como resultado de este proceso es la disminución de la porosidad, y de la plasticidad, por lo tanto se origina el aumento de la resistencia y de su durabilidad.

La acción del cemento en los suelos arcillosos resulta complicada, pues produce dos efectos, en principio ocurre un efecto primario, donde la hidratación del cemento produce silicatos y aluminatos de calcio hidratados, hidróxido de calcio e iones de calcio que elevan la concentración de electrolitos del agua intersticial. Luego en segundo termino, se produce el efecto secundario, el cuál se divide en dos fases. La primera fase, se produce un intercambio iónico entre los iones de calcio y otros que son absorbidos por los minerales de la arcilla, proceso que tiende a flocular a la propia arcilla. En la segunda fase, se da lugar a las reacciones químicas puzolánicas entre la cal y los elementos que componen los cristales de la arcilla. Los elementos compuestos por materiales silicosos y alumínicos reaccionan con los compuestos cálcicos para conformar elementos resistentes y durables. En esta misma segunda fase, el hidróxido de calcio que se va consumiendo puede reponerse por la cal que se libera durante el proceso primario de hidratación del cemento.

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Es importante tener conocimiento de las partículas mineralógicas que contiene un tipo de suelo arcilloso, porque poseen modificaciones en sus características y propiedades propias, tal es el caso de los minerales arcillosos que van del orden de la montmorillonita, a la caolinita y la ilita.

La estabilización de suelos arcillosos, mediante la adición de cemento presenta dificultad para estabilizarse por lo que son difíciles de pulverizar, puesto que en estado seco son bastantes duros, y cuando se presenta excesos de humedad se hacen más pegajosos, de aquí que estos materiales deben humedecerse o dejarse secar para que posean el grado de humedad que facilite su pulverización, es por ello que muchas veces se ha pensado en añadirle proporciones del 2% de cal, para dar un mejor fraguado a la mezcla, trabajabilidad y reducción de los componentes cohesivos de la arcilla cuando se encuentre en estado seco. Para suelos arcillosos de alto contenido de humedad, es necesario que contengan un gran porcentaje de cemento para lograr el mejoramiento deseado del suelo, porque caso contrario, provocaría problemas de pulverización y de mezclado.

En base, al estudio de montmorillonitas, caolinitas e ilitas, se encontró que en periodo de curados de hasta siete días, se desarrollan resistencias más altas utilizando cemento Pórtland tipo 1 que las obtenidas utilizando cemento tipo II, debido probablemente al mayor contenido en aluminato tricálcico en el Cemento tipo 1. Para la estabilización de los suelos arenosos, según análisis realizado y obtenido, se ha encontrado que el cemento tipo III, es el más recomendable ya que generan mayores resistencias al intemperísmo y a la compresión simple.

En suelos no plásticos o de baja plasticidad, la estabilización con cemento es un método muy eficaz, porque su rápido fraguado, trabajabilidad y su buena compactación, incrementa su resistencia y durabilidad a lo largo del tiempo.

En suelos inertes, no habría inconvenientes, en cuanto a tener que estabilizarlos con adición de cemento, pero tendríamos que tener en cuenta ciertas limitaciones, que pueden generar problemas de agrietamiento, tal es el caso de las rocas trituradas o gravas graduadas, es por ello que estabilizarlo con cemento sería innecesario.

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La Estabilización con Cemento, para suelos orgánicos o con presencia de sales como los sulfatos, es desfavorable, porque estos tipos de suelos retardan y hasta evitan la hidratación del suelo con el cemento, esto se debe a que estos tipos de suelos como sulfatos llegan a absorber iones de calcio, es por ello que se le añade cloruro de calcio o sal hidratada, con el propósito de satisfacer la necesidad de iones de calcio, y de esta manera se puede mejorar sus características; este punto lo analizaremos con mas profundidad y detalle en el acápite del Método de Estabilización con Sales. Un caso poco común es la presencia de sulfatos de calcio o de magnesio en los suelos, pero se han encontrado en estos tipos de suelo que al adicionar cemento, se obtiene un material poco durable y con alto contenido de humedad después del mezclado, esto se debe a las reacciones de materiales arcillosos del suelo, a la presencia de iones sulfatos en la cal y exceso de agua, por lo tanto no es el método adecuado de estabilizar con cemento a los suelos con presencia de sulfatos de calcio o de magnesio, en consecuencia es importante saber que al estabilizar un suelo con cemento, se debe tener conocimiento que el suelo de la presencia o ausencia de sulfatos en el suelo, para no tener dificultades en el momento de la estabilización.

Es importante que a un suelo que se va a estabilizar con cemento se determine previamente la presencia o ausencia de sulfatos, mediante procedimientos químicos. Debido a que el efecto de los sulfatos se debe a la presencia de sulfato y arcilla en el suelo, bajo la adición de iones de calcio y agua en exceso, resulta poco valor el empleo de cemento Pórtland tipo V o sea los resistentes al ataque de los sulfatos.

Las estabilizaciones de los suelos con cemento tienen como característica aumentar la resistencia con el tiempo del mezclado, efectos de curado, homogeneidad en la mezcla, etc., por lo tanto es muy importante tener criterios y fundamentos en la elaboración ideal de las proporciones del mezclado y de su compactación, con el propósito de obtener éxito y calidad en la estabilización.

En la Tabla Nº 14, se aprecia la resistencia a la compresión a los 7 y 28 días para diversos tipos de suelos estabilizados con cemento.

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TABLA NO 14: AUMENTO EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESION PARA

VARIOS TIPOS DE SUELOS

Tipo de suelo

Resistencia a la Compresión (kg/cm2)

Suelos Arenosos y Gravosos Grupos A-1, A-2, A-3 (AASHTO) Suelos Limosos Grupos a-4, A-5 Suelos Arcillosos Grupos A-6 y A-7

7 Días

28 Días

21 - 42

28 - 70

17 - 35

21 - 63

14 - 28

18 - 42

La construcción del suelo cemento para bases de carreteras puede hacerse mediante varios métodos obteniendo resultados similares. Las diversas operaciones y su secuencia son las mismas y la diferencia está en el equipo que se utiliza. El proceso para construir una base o sub-base de suelo cemento por medio de este equipo puede resumirse en las siguientes operaciones:

Preparación inicial del suelo que se va a estabilizar, pulverización, aplicación del cemento, mezclado en seco del cemento y el suelo, aplicación del agua y continuación del mezclado con humedad, compactación, perfilado según los planos, escarificación superficial, alisado con rodillos lisos de hierro.

Las limitaciones que existen para estabilizar un suelo con adición de cemento:

a) Razones técnicas, tales como dificultades para la pulverización, mezclado y compactación. b) Por factores de construcción, como la durabilidad y resistencia que pueden obtenerse c) Consideraciones económicas, tales como costos de extracción, mezclado, compactación, transporte, contenido de cemento requerido, costo de aditivos, etc.

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C. Estabilización con Cal.Consiste en mezclar el suelo con cal en un porcentaje de peso, es recomendable su aplicación a suelos finos arcillosos por reaccionar mejor con este material debido a la reducción de sus propiedades plásticas. Las arcillas frecuentemente requieren estabilización con el objeto de incrementar su resistencia y disminuir su sensibilidad a cambios volumétricos a consecuencia de cambios en el contenido de agua. Mediante el tratamiento de suelos arcillosos con cal se logra cambios en las propiedades Del suelo, obteniéndose así efectos como:  Reducir el índice plástico en forma considerable, esto es debido a un pequeño incremento en el límite plástico y una considerable reducción en el límite líquido.  El agua y la cal colaboran para acelerar la disgregación de los granos de arcilla durante la operación de pulverizado, lo cual facilita la trabajabilidad.  Se reduce los efectos aglomerantes.  En lugares donde el suelo tiene un alto contenido de humedad, la aplicación de la cal facilita el disgregado del suelo del suelo, lo que a su vez propicia el secado más rápido.  Las contracciones debido al cambio de humedad se reduce considerablemente.  La resistencia del suelo a la compresión se incrementa, así mismo el valor relativo de soporte.  La capa estabilizada proporciona una excelente plataforma de trabajo para la construcción de las capas superiores de la sección estructural de un camino.

La forma más usual de la cal empleada en las estabilizaciones es la hidratada, óxidos o hidróxidos de calcio. El efecto básico de la cal es la constitución de silicatos de calcio que se forman por acción química de la cal sobre los minerales de arcilla, para formar compuestos cementadores. La cal se prepara generalmente calentando carbonatos de calcio, muchas veces bajo formas de calizas naturales, hasta que pierden su bióxido de carbono y deriven en óxidos de calcio; el resultante es la cal viva, muy inestable y ávida de agua, lo que hace difícil su manejo y almacenamiento, por lo que suele de hidratarse de inmediato. Para formar la cal estabilizante no es preciso partir de calizas puras, sino que pueden tolerarse algunas impurezas. 99

La cal tiene poco efecto en suelos muy orgánicos o en suelos sin arcillas. Tiene su máximo efecto en gravas arcillosas, en las que puede producir mezclas inclusive más resistentes que las que se obtendrían con cemento. Ha obtenido su utilización mas frecuente en arcillas plásticas, a las que hace mas trabajables y fáciles de compactar razón por la cual se usa frecuentemente como pre-tratamiento a una estabilización con cemento, además de los muchos casos que se utiliza como estabilizante definitivo.

D. Estabilización Bituminosa.Es aplicable en los suelos medianamente plásticos, consiste en incorporar materiales bituminosos en suelo o mezcla granular para formar bases flexibles, las cuales pueden soportar cargas de tránsito bajo condiciones normales de humedad y de circulación. El bitumen es incorporado a los suelos como agente repulsivo al agua, a fin de mantener un bajo contenido de humedad y un adecuado valor de soporte en dichos suelos. Los materiales bituminosos son adicionados en suelos granulares para actuar como medio ligante o cementante, además de darle cohesión, permite desarrollar la fricción interna para resistir la acción de desplazamiento lateral por las cargas de tránsito.

100

4.2.- COMBINACIÓN DE LAS ESCORIA CON FINOS.

En la presente tesis se plateó como objetivo de la investigación de las propiedades físicas y mecánicas de las escorias del proceso de la elaboración de acero de la planta de Aceros Arequipa en Pisco, así como el mejoramiento de dichas propiedades mediante su combinación con polvo de Baghouse subproducto también de la elaboración del Acero de la planta en mención.

Para lograr tan fin se procedió a analizar muestras de Escorias determinando las características de dicho materia en su estado original y luego con porcentajes de polvo de Baghouse en proporciones de 10%, 15%, y 20% tratando de mejorar algunas de sus propiedades a fin de emplearlas en el uso de pavimentos como base o subbase o con fines de cimentación de estructuras. Asiendo ensayos de Proctor, CBR, Granulometrías, Limites de Attemberg, Corte Directo entre otros que nos pueda dar a conocer el comportamiento de este material para los fines antes mencionados.

En los siguientes acápites presentaremos los resultados de los ensayos realizados indicando las combinaciones antes mencionadas y además el estado original de las Escorias (0%)

4.2.1.- Límites de Consistencia.En los siguientes cuadros y gráficos se muestran los porcentajes de escoria utilizados y sus respectivos valores de Límite Líquido, Límite Plástico e Índice de Plasticidad.

TABLA Nº 15: % de Escoria

LL

LP

IP

10.00%

14.25%

13.91%

0.34%

15.00%

15.30%

13.91%

1.39%

20.00%

15.51%

13.60%

1.91%

101

GRÁFICO Nº 3: LÍMITE LÍQUIDO VS % DE POLVO.

Limite Liquido Vs % de Polvo 15.8%

Limite Liquido

15.5% 15.3% 15.0% 14.8% 14.5% 14.3% 14.0% 9.5%

11.5%

13.5%

15.5%

17.5%

19.5%

21.5%

% de Polvo

GRÁFICO Nº 4: LÍMITE PLÁSTICO VS % DE POLVO.

Limite Plástico Vs % de Polvo 14.0%

Limite Plástico

13.9% 13.8% 13.7% 13.6% 13.5% 8.5%

10.5%

12.5%

14.5% 16.5% % de Polvo

18.5%

20.5%

102

GRÁFICO Nº 5: ÍNDICE DE PLASTICIDAD VS % DE POLVO.

Índice de Plasticidad Vs % de Polvo 15.8% Índice de Plasticidad

15.5% 15.3% 15.0% 14.8% 14.5% 14.3% 14.0% 9.0%

11.0%

13.0%

15.0% 17.0% % de Polvo

19.0%

21.0%

 Cabe mencionar que en su estado original las Escorias no presentan limites de consistencia, además podemos observar que la combinación de escorias y polvo de baghouse va ganando plasticidad a medida que aumenta el porcentaje de polvo en la mezcla

4.2.2.- Granulometría.En los siguientes cuadros y gráficos se muestran las diferentes granulometrías de la Escoria, polvo de Baghouse con las diferentes combinaciones de 10%, 15%, 20%

103

GRÁFICO Nº 6: GRANULOMÉTRIA DE LOS PORCENTAJES QUE PASAN, ESCORIA POLVO DE BAGHOUSE Y COMBINACIONES

% Que Pasa

TAMIZES ASTM

(mm)

Escoria

Polvo Baghouse

Combinación 10%

Combinación 15%

Combinación 20%

6"

152.4

100.00

100.00

100.00

100.00

100.00

4"

101.6

100.00

100.00

100.00

100.00

100.00

3"

76.20

100.00

100.00

100.00

100.00

100.00

2"

50.80

100.00

100.00

100.00

100.00

100.00

1 1/2"

38.10

98.77

100.00

99.14

99.24

99.32

1"

25.40

92.33

100.00

93.35

94.07

94.74

3/4"

19.05

84.78

100.00

86.76

88.19

89.54

1/2"

12.70

71.06

100.00

76.01

78.60

81.04

3/8"

9.50

62.61

100.00

69.29

72.60

75.73

1/4"

6.35

49.26

100.00

59.04

63.47

67.64

Nro, 4

4.76

43.99

100.00

54.47

59.38

64.02

Nro, 8

2.38

33.86

99.99

42.54

46.78

50.89

Nro, 10

2.000

30.84

99.98

39.01

43.05

47.00

Nro, 20

0.850

20.07

99.90

26.22

29.53

32.90

Nro, 30

0.590

16.55

99.80

22.02

25.09

28.27

Nro, 40

0.425

14.44

99.64

19.50

22.42

25.48

Nro, 50

0.270

11.55

99.05

16.14

18.85

21.76

Nro, 60

0.250

10.57

98.73

14.90

17.54

20.38

Nro 80

0.180

8.50

97.93

12.66

15.15

17.88

Nro, 100

0.145

7.83

97.60

11.84

14.29

16.97

Nro, 200

0.074

4.83

94.23

8.28

10.46

12.91

104

Escoria con Polvo de Baghouse 100.00

90.00

80.00

% A c u m u la d o Q u e P a s a

0% P o lv o B g

70.00

10 % P o lv o B g

60.00

15 % P o lv o B g

50.00

20% P o lvo B g

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00 0.01

0.10

1.00

10.00

Diametro de las Particulas (mm)

100.00

TABLA Nº 16: %s EN PESO DEL ESCORIA EN FORMA ORIGINAL Y DE COMBINACIÓN CON POLVO.

% de Combinación % de Ag. Fino % de Ag. Grueso % Fracción

0%

Polvo Bg

10%

15%

20%

43.99

100.00

54.47

59.38

64.02

56.01

0.00

45.53

40.62

35.98

4.83

94.23

8.28

10.46

12.91

95.17

5.77

91.72

89.54

87.09

Fina % Fracción Gruesa

4.2.3.- Clasificación de suelos.En los cuadros y gráficos siguientes observamos que tipo de clasificación AASHTO y SUCS obtenidos de las diferentes combinaciones analizadas con porcentajes de polvo de Baghouse en la escoria de 10%, 15%, 20% También se hizo la clasificación para el material sin combinar. Es decir la Escoria y el polvo de Baghouse en sus estados originales.

105

TABLA Nº 17: CLASIFICACIÓN AASHTO.

% Polvo de Baghouse

Clasificación AASHTO

Comportamiento General como Subrasante

Tipo de Materiales Constituyentes

A - 1a

Excelente a Bueno

Fragmentos de piedras, gravas y arenas

A - 1a

Excelente a Bueno

Fragmentos de piedras, gravas y arenas

15%

A - 1a

Excelente a Bueno

Fragmentos de piedras, gravas y arenas

20%

A - 1a

Excelente a Bueno

Fragmentos de piedras, gravas y arenas

Polvo de Baghouse

A-4

Malo

0% 10%

 Observamos del gráfico anterior que para todos los porcentajes de combinación nos dan una óptima clasificación ASSTHO.

TABLA Nº 18: CLASIFICACIÓN SUCS.

% Polvo de Baghouse

Clasificación SUCS

Tipo de Materiales Constituyentes

GW

Gravas y arenas bien gradadas

GW

Gravas y arenas pobremente gradadas con presencia de limos

15%

GW

Gravas y arenas pobremente gradadas con presencia de limos

20%

GW

Gravas y arenas pobremente gradadas con presencia de limos

Polvo de Baghouse

ML

Limos de Baja Plasticidad

0% 10%

 Observamos del gráfico anterior que los diferentes tipos de combinación de Polvo y Escoria nos dan óptimos resultados de clasificación SUCS.

106

4.2.4.- Peso Específico relativo de sólidos (Ss).Para la realización de éste ensayo utilizamos material que pasa la malla Nº 4 (agregado fino). En el siguiente numeral mostramos los cuadros y gráficos de los porcentajes de combinación de polvo de Baghouse con escoria y los valores de Ss que cada una de estas combinaciones arroja, para cada una de las canteras.

TABLA Nº 19: VALORES DE Gs QUE ARROJA CADA % DE COMBINACIÓN CON POLVO Porcentaje de Combinación

10%

15%

20%

0%

Nº de Frasco

Nº

1

2

3

4

W frasco w

gr.

659.56

352.1

673.14

352.1

W frasco sw

gr.

741.49

406.6

731.49

414.87

118

17

230

238

Nº Recipiente W Recipiente

gr.

185.19

179.93

176.77

174.86

W Recipiente seco

gr.

299.96

255.63

256.85

277.91

Ws: 7 - 6

gr.

114.77

75.70

80.08

103.05

3.49

3.57

3.69

2.56

Gs : 8 / (3-4+8)

GRÁFICO Nº 7: Gs VS % DE POLVO.

Gravedad Especifica Vs % Polvo 3.90

Gravedad Especifica

3.70

3.50 3.30 3.10 2.90

2.70 2.50 0%

5%

10%

15%

20%

25%

% de Polvo

107

 Del gráfico anterior observamos que el peso específico relativo de sólidos va aumentando a medida que aumentamos los porcentajes de polvo de Baghouse en las escorias.

4.2.5.- Ensayo de Equivalente de Arena.De la misma manera que en el ensayo anterior utilizamos material que pasa la malla Nº 4 para la realización del siguiente ensayo, en los siguientes cuadros y gráficos mostramos los valores de Equivalente de Arena que arroja las diferentes combinaciones de escorias y polvo de baghouse

TABLA Nº 20: VALORES DE E.A. QUE ARROJA CADA COMBINACIÓN

% Polvo

Equivalente

0.00%

69.00%

10.00%

25.00%

15.00%

18.00%

20.00%

16.00%

GRÁFICO Nº 8: E.A. VS POLVO. Equivalente de Arena Vs % de Polvo

Equivalente de Arena

64% 54% 44% 34% 24% 14% 0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

20%

22%

% de Polvo

 Del gráfico anterior observamos que al combinar las escorias con polvo de baghouse los valores del equivalente de arena disminuyen a tal punto que ya 108

no cumplen con los valores mínimos requeridos para base y subbase según las normas del MTC

 También observamos que los valores limites de el Equivalente de Arena se dan con una combinación del 20% de polvo en la escoria aproximadamente 4.2.6.- Ensayo de Proctor Modificado y CBR.En las tablas y gráficos siguientes mostramos los porcentajes de escoria utilizados y los valores de Máxima Densidad seca y O.C.H. (óptimo contenido de humedad) que arroja cada uno de éstos porcentajes, además de los valores de CBR para una penetración de 1” y con densidades al 95%, 98% y 100% de la Máxima Densidad Seca. De acuerdo a las normas ASTM determinamos por la granulometría del suelo que el ensayo de Proctor modificado es de tipo C, para las respectivas combinaciones de escoria y polvo TABLA Nº 21 % Polvo

CBR al 100%

CBR al 98%

CBR al 95%

OCH

Densidad

0%

88.6

85.12

80.56

5.64

2.17

10%

344.00

312.00

259.00

6.80

2.545

15%

199.00

170.00

122.00

7.40

2.633

20%

205.00

183.00

142.00

7.10

2.595

GRÁFICO Nº 9: CBR AL 100% VS % DE POLVO.

CBR al 100% Vs % Polvo

400 375

CBR al 100%

350 325 300 275 250 225 200 175 150 9%

11%

13%

15%

17%

19%

21%

% de Polvo

109

GRÁFICO Nº 10: CBR AL 98% VS % DE POLVO

CBR al 98% Vs % Polvo

350 330

CBR al 98%

310 290 270 250 230 210 190 170 150 9%

11%

13%

15%

17%

19%

21%

% de Polvo

GRÁFICO Nº 10: CBR AL 95% VS % DE POLVO CBR al 95% Vs % Polvo

300 280

CBR al 95%

260 240 220 200 180 160 140 120 100 9%

11%

13%

15%

17%

19%

21%

% de Polvo

 Del Gráfico anterior observamos que a medida que aumentamos porcentajes de polvo de baghouse en la escoria en suelo presenta valores de CBR cada vez menores, pero siendo incluso estos valores aceptables para ser usados en bases o subbases.

110

GRÁFICO Nº 11: OCH VS % DE POLVO

OCH Vs % Polvo 7.4 7.2 7.0

OCH

6.8 6.6 6.4 6.2 6.0 5.8 5.6 0%

5%

10%

15%

20%

% de Polvo

GRÁFICO Nº 12: MÁXIMA DENSIDAD SECA VS % DE POLVO

Densidad Seca Vs % Polvo

2.65 2.60

Densidad gr/cm3

2.55 2.50 2.45 2.40 2.35 2.30 2.25 2.20 2.15 0%

5%

10%

15%

20%

% de Polvo

 Del Gráfico anterior observamos que a medida que aumentamos porcentajes de polvo de baghouse en la escoria aumentan los OCH, y Densidades secas de las combinaciones hasta un porcentaje aproximado de 17% de polvo de

111

baghouse. Valores que coinciden con los puntos mas bajos en la curva CBR vs. % de Polvo en Escoria

GRÁFICO Nº 13: MÁXIMA DENSIDAD SECA VS OCH

Densidad Seca Vs % OCH

2.65 2.60

Densidad gr/cm3

2.55 2.50 2.45 2.40 2.35 2.30 2.25 2.20 2.15 5.50

5.75

6.00

6.25

6.50

6.75

7.00

7.25

7.50

OCH

 Del Gráfico anterior observamos que en la medida que aumentan los óptimos contenidos de humedad en cada combinación, aumenta la máxima densidad seca.

4.2.7.- Ensayo de Corte Directo.Los suelos normalmente consolidados se encuentran a una densidad de 80% a 85% de la máxima densidad seca del proctor modificado. En nuestro caso tomamos conservadoramente el valor de 80%. Mostramos a continuación en las tablas y gráficos los porcentajes de combinación con escoria con polvo de baghouse y los valores de fricción, cohesión que arroja cada uno de estos porcentajes.

112

TABLA Nº 22 Parámetro de Resistencia

Parámetro Residuales

% de Polvo

C (kg/cm )

غ

C (kg/cm )

غ

0%

0.20

38.92

0.20

38.44

10%

0.20

39.78

0.20

38.44

15%

0.18

38.83

0.18

38.62

20%

0.17

39.95

0.17

40.20

2

2

GRÁFICO Nº 14: FRICCIÓN VS % DE POLVO. Fricción Vs % Polvo 41.00 40.75 40.50

Fricción Φ

40.25 40.00 39.75 39.50 39.25 39.00 38.75 38.50 0%

5%

10%

15%

20%

% de Escoria

 Verificamos del gráfico del gráfico que la fricción tienen valores semejantes tanto en las diferentes combinaciones por lo que para este tipo de material podríamos tomar una fricción promedio de 39.5°.

113

GRÁFICO Nº 15: COHESIÓN VS % POLVO. Cohesion Vs % Polvo 0.215

Cohesion kg/cm2

0.210 0.205 0.200 0.195 0.190 0.185 0.180 0.175 0.170 0.165 0%

5%

10%

15%

20%

% de Escoria

 Del gráfico observamos una caída en la cohesión a medida que aumenta el contenido de polvo de baghouse en la combinación por lo que podríamos deducir que el aporte del polvo no aumenta la cohesión del material

 Siendo el aporte del polvo de baghouse en negativo en cohesión y despreciable en fricción podemos concluir que para fines de cimentación seria conveniente trabajar solo con las escoriasen su estado original

4.2.8.- Capacidad Portante de Los suelos.Los parámetros de corte (fricción y cohesión), se aplican para determinar la capacidad portante de los suelos. Como aplicación se tomará el método de Terzaghi para falla localizada donde los parámetros de resistencia del suelo c y Φ se reducen a c’ y Φ’, donde: c’ = 2/3 *c

y

Φ’= Arctg (2/3 tg Φ), de una cimentación corrida. Para los cálculos de qd utilizamos la siguiente fórmula: qd = C’*N’c + γ*Z*N’q +0.5* γ*B*N’ γ Donde: qd = Capacidad de carga límite o última en ton/m2. C’= Cohesión admisible de los suelos en ton/m2 ó en Kg./m2. γ = Densidad natural del suelo en ton/m3 ó en Kg./m3. Z= Profundidad de desplante de la cimentación en metros. B= Ancho de la cimentación. 114

N’c, N’q, N’ γ = Factores de carga. qa = qd/3 Donde: qa= Carga admisible o de diseño de la cimentación en Kg/cm2 .

Este método se aplicó en cada una de las canteras, para el material al estado natural y para el material con su óptima combinación de escoria. Con la finalidad de hacer una comparación con los resultados obtenidos se tomaron los datos siguientes: ancho de cimentación B= 1.20 cm, con una profundidad de desplante de la cimentación Z=1.50m.

TABLA Nº 23: PARAMETROS DE RESISTENCIA EN LAS DIFERENTES COMBINACIONES DE % DE POLVO Y ESCORIA

% de Polvo 0% 10% 15% 20%

Parámetro de Resistencia C (kg/cm2) غ 0.20 38.92 0.20 39.78 0.18 38.83 0.17 39.95

Parámetro Residuales C (kg/cm2) غ 0.20 38.44 0.20 38.44 0.18 38.62 0.17 40.20

TABLA Nº 24.1: CARGA ADMISIBLE PARA DIFERENTES COMBINACIONES DE ESCORIA Y POLVO

C Ø C' Ø' Z B N’c N’q N ‘γ Sc Sγ γ1 γ2 qd F.S. qadm A zapata P

Escorias Escorias 100% 90% 0.20 0.20 38.92 39.78 0.13 0.13 28.30 29.03 1.50 1.50 1.20 1.20 26.39 27.93 15.21 16.50 17.45 19.42 1.30 1.30 0.80 0.80 2.67 2.67 2.67 2.67 129.01 139.38 3.00 3.00 43.00 46.46 1.44 1.44 61.92 66.90

Escorias 85% 0.18 38.83 0.12 28.22 1.50 1.20 26.24 15.08 17.26 1.30 0.80 2.67 2.67 123.46 3.00 41.15 1.44 59.26

Escorias 80% 0.17 39.95 0.11 29.18 1.50 1.20 28.25 16.77 19.84 1.30 0.80 2.67 2.67 134.21 3.00 44.74 1.44 64.42

Unidades kg/cm2 ª kg/cm2 ª m m

ton/m3 3 ton/m ton/m2 2

ton/m ton/m2 ton

115

GRÁFICO Nº 16: ESFUERZO ADMISIBLE VS % ESCORIA

Esfuerzo Admisible Vs % de Escoria

5.25

Esfuerzo Admisible

5.00

4.75

4.50

4.25

4.00

78%

80%

82%

84%

86%

88% 90% 92% % de Escoria

94%

96%

98%

100% 102%

TABLA Nº 24.2: VALORES PERMISIBLES Y EXISTENTES DE CLORUROS Y SULFATOS EN ESCORIAS

Cloruros Sulfatos

Existente 0.13% 0.10%

Permisible 0.10% 0.06%

No Cumple No Cumple

 De la tabla Nº 24.1 deducimos que al combinar las escorias con 10% de polvo de Baghouse mejoramos las propiedades de las escorias en lo que se refiere a la capacidad portante para fines de cimentación elevando esta capacidad en 8% respecto de las escorias en su estado original

 Cabe mencionar también que los valores aceptables de partículas por millón tanto de cloruros como de sulfato son excedidos en las escorias por lo que no seria recomendable su utilización como material de relleno para cimentaciones.

116