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1. Introducción Cuando se construye una carretera lo ideal es que ésta se mantenga en condiciones adecuadas por el periodo para el cual fue diseñada. Sin embargo, en algunas ocasiones estas estructuras fallan prematuramente. Por esto, los ingenieros se han dado a la tarea de, por un lado, investigar cuáles fueron las causas de la falla, y por otro, proponer otros mecanismos para tener carreteras más durables. Los mecanismos incluyen el uso de maquinaria con la tecnología más avanzada para la etapa de construcción, utilizar otros equipos que miden propiedades más adecuadas para el control de calidad de los materiales compactados, mezclar materiales tradicionales con aditivos para mejorar propiedades mecánicas, etc. Con respecto a este último, el mercado de los aditivos es muy vasto. Existen decenas de aditivos que ofrecen mejorar las propiedades índice y mecánicas de los materiales de construcción de carreteras. La literatura en este tema clasifica a los aditivos en “tradicionales” y “no tradicionales”. En el primer rubro se ubican tres materiales que han sido muy populares, estos son: el cemento, la cal y el asfalto. En el segundo se encuentran aditivos como enzimas, polímeros, zeolitas, etc. La cal, tema de este artículo, ha sido investigada de forma abundante en varios países, pero aún existen aspectos que pueden contribuir al conocimiento. En este artículo, los autores muestran en qué medida se modifican las propiedades mecánicas de una arena mal graduada (SW) que se estabilizó con 5% de estabilical con respecto a peso seco. El proceso de estabilización con cal Cuando se adiciona cal a un suelo cohesivo, los iones de calcio remplazan los iones de sodio de la fracción de arcilla hasta que el suelo se satura con calcio y el pH se incrementa a un valor en exceso de 12 (altamente alcalino). La solubilidad del sílice y alúmina en el suelo se incrementa dramáticamente cuando el pH es mayor a 12 y su reacción con la cal puede seguir, lo que produce compuestos cementantes de silicatos de calcio y aluminatos. Estos compuestos cementantes forman un esqueleto que unen a las partículas de suelo. La ganancia de resistencia asociada con la formación de silicatos de calcio y aluminatos ocurre lentamente (Ethiopian Roads Authority, 2002).
Los efectos del tratamiento con cal pueden ser de corto y largo plazo. Los efectos inmediatos (corto plazo) se logran sin que se dé un proceso de curado y son de primordial importancia en la etapa de construcción. Este efecto se atribuye al intercambio catiónico y floculación-aglomeración que se presenta cuando la cal se mezcla al suelo. Por otro lado, los efectos a largo plazo se presentan durante el curado y posteriormente, y son importantes desde el punto de vista de resistencia y durabilidad (Mallela et al., 2004 citado por Amu et al., 2011)
Materiales que pueden ser estabilizados con cal Existen varias formas de elegir el tipo de suelo en los que se puede aplicar la cal. Por ejemplo, las autoridades de carreteras de Etiopia usan los datos especificados en la Tabla 1.1 en la que indican qué suelos pueden ser estabilizados con cal (Ethiopian Roads Authority, 2002):
Tabla 1.1. Guía para seleccionar el tipo de estabilizante de acuerdo con plasticidad y granulometría.
* Indica que el agente tendrá efectividad marginal.
Existen otros criterios para decidir qué tipo de suelos se pueden estabilizar con cal, por ejemplo, el Departamento de Transporte de Queensland indica que los suelos con bajas proporciones de arcilla reactiva no son adecuados para estabilizarse con cal. Estos materiales pueden ser los suelos con alto contenido de limo como ML, MH u OH; otros suelos que no son adecuados son los que tienen un índice de plasticidad menor o igual a 10. En el documento de Queensland, además indican que los materiales que exceden la cantidad de material deletéreo no son adecuados para ser estabilizado con cal.
Determinación de la cantidad de cal para estabilizar un suelo
La prueba de Eades y Grim (ASTM D6276) identifica la cantidad de cal requerida para satisfacer inmediatamente las reacciones suelo-cal y proporciona suficiente calcio residual y un sistema con pH alto (cerca de 12.4 a 25ºC), lo cual es necesario para tener condiciones apropiadas para que se presenten las reacciones puzolánicas a largo plazo que son las responsables del desarrollo de la rigidez y la resistencia (Little y Yusuf, 2001).
Otros autores indican que el porcentaje de cal depende del tipo de suelo a ser estabilizado. El porcentaje de cal a utilizar puede determinarse haciendo pruebas de límites de consistencia para determinar en qué medida el índice de plasticidad se ve reducido al utilizar diferentes cantidades de cal; así también se puede hacer con pruebas de resistencia para ver qué porcentaje maximiza esta propiedad (Amu et al., 2011).
2. MATERIAL Y PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA
2.1. Material estudiado El material utilizado en este estudio fue muestreado en la ciudad de Monterrey (Figura 2.1). Éste estaba formado por fragmentos de roca, gravas y suelo fino. En el estudio sólo se utilizó el material que pasó la malla de una pulgada.
Figura 2.1. Suelo muestreado en Monterrey
2.2. Propiedades índice
Para determinar propiedades índice y de compactación se utilizaron procedimientos ASTM. Estos son los indicados en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1. Procedimientos ASTM utilizados
2.3. Procedimientos de prueba para evaluar propiedades mecánicas 2.3.1. Valor Relativo de Soporte California (CBR) Para llevar a cabo la prueba de CBR, se compactaron tres especímenes con 10, 25 y 56 golpes con un pisón de 4.5 kg. Posterior a la compactación, las muestras se dejaron secar al ambiente durante siete días. Enseguida, se saturación durante 96 horas para finalmente llevar a cabo la penetración a una velocidad de 1.27 mm/min. 2.3.2. Preparación de especímenes para prueba de resistencia en compresión simple, módulo de resiliencia y deformación permanente El procedimiento para elaboración de especímenes fue el siguiente: · Se preparó la mezcla suelo-estabilical-agua (Figura 2.2) y se permitió curado de la mezcla durante 24 horas. · Para las muestras sin estabilical, solo se adicionó el agua de compactación, se mezcló y se permitió un tiempo de curado de 24 horas.
Figura 2.2. Preparación de la mezcla suelo-5 % de estabilical y agua para alcanzar el contenido de agua óptimo
· Después del mezclado, las muestras se compactaron en el compactador automático. Se utilizó un molde de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura (sin collarín). Las muestras se compactaron en 6 capas aplicando 170 golpes por capa para el suelo natural y 160 para el suelo con estabilical (Figura 2.3a). · Posterior a la compactación, se enrasó la superficie de la muestra, se pesó y se midió (Figura 2.3b, c, y d).
Figura 2.3. (a) Compactación en equipo automático; (b) Superficie de la muestra después de la compactación; (c) Muestra enrasada; (d) Tomando las dimensiones del espécimen.
· Después de la compactación de especímenes, éstos se ensayaron después de que se cumplió alguna de las siguientes condiciones: Después de compactar, Después de 7, 14 o 28 días de secado, Después de 7, 14 o 28 días de almacenamiento, Después de 7, 14 o 28 días de almacenamiento y 14 días de humedecimiento.
Figura 3.3. (a) Humedecimiento de muestras por capilaridad; (b) Secado de muestras en cuarto de temperatura controlada; (c) Almacenamiento de muestras después de humedecerse, secarse o compactarse.
2.3.3. Prueba de resistencia en compresión simple
La prueba de compresión simple consiste en aplicarle carga al espécimen hasta hacerlo fallar. En las pruebas realizadas en esta investigación la carga se aplicó a una velocidad de 1.2%/min y la prueba se terminó cuando se observó la falla del espécimen.
2.3.4. Módulo de resiliencia En la prueba de módulo de resiliencia, al espécimen se le aplican diferentes esfuerzos desviadores y presiones de confinamiento dependiendo del tipo de material ensayado. La Tabla 3.2 muestra las secuencias de prueba para el material de base de acuerdo con el protocolo NCHRP 1-28A. La secuencia cero es la de precondionamiento y no se registran datos. En las siguientes secuencias se aplican 100 ciclos de carga y se registran datos de los últimos cinco ciclos para obtener un módulo de resiliencia promedio. En cada ciclo, la carga se aplica durante 0.1 de segundo y después tiene un periodo de descarga de 0.9 de segundo.
Tabla 2.2. Esfuerzos de confinamiento y desviadores aplicados en la prueba de módulo de resiliencia según el protocolo NCHRP 1-28A. Procedimiento Ia para materiales de base/subbase
2.3.5. Deformación permanente Para las pruebas de deformación permanente no existe un procedimiento definido. Por lo tanto, se decidió llevar a cabo las pruebas de deformación aplicando 20,000 ciclos de carga con un esfuerzo desviador de 497 kPa y 14 kPa de presión confinante. 3. RESULTADOS
3.1. Propiedades índice y de compactación
La Tabla 3.1 muestra el resumen de las propiedades índice y de compactación del suelo en estudio. El suelo se clasificó como una arena mal graduada (SW).
Tabla 3.1. Resumen de las propiedades del suelo en estudio
3.2. CBR
La Figura 3.1 muestra los resultados de las pruebas de CBR y expansión. De esto se observa que el suelo con estabilical presenta un valor de CBR de 350%, mientras que el suelo natural tiene un valor de 25%. Esto indica que, al adicionar estabilical, el CBR se incrementa 14 veces. Por el lado de la expansión, el suelo en condiciones naturales tiene un valor de expansión libre 1.2%, mientras que al adicionar 5% de estabilical, la expansión libre se reduce a 0.05%. Con base en los resultados de CBR y expansión libre, se puede ver de forma clara el beneficio de utilizar estabilical para mejorar las propiedades de este suelo.
Figura 3.1. CBR y expansión libre del suelo con y sin estabilical
3.3. Resistencia en compresión simple
Las Figuras 3.2, 3.3 y 3.4 muestran las curvas esfuerzo-deformación obtenidas para las diferentes condiciones de curado. En las gráficas se muestran tanto las curvas para el suelo natural (SN) y las curvas obtenidas en el suelo estabilizado con estabilical (EST). Asimismo, se tiene la gráfica resumen tomando en cuenta las resistencias máximas promedio de cada condición.
Figura 3.2. Resistencia a compresión del suelo con y sin estabilical. Resultados de especímenes a los que se les permite almacenamiento después de la compactación
Figura 3.3. Resistencia a compresión del suelo con y sin estabilical. Resultados de especímenes a los que se les permite secado después de la compactación
Figura 3.4. Resistencia a compresión del suelo con y sin estabilical. Resultados de especímenes a los que se les permite almacenamiento y después se humedecen.
De acuerdo con los resultados anteriores, el efecto positivo de la estabilical en la resistencia es claro. De hecho, se observa que la resistencia en compresión simple del suelo-estabilical se incrementa con el tiempo de almacenamiento de las muestras. El efecto del humedecimiento es donde se ve de forma más clara la ventaja de agregar estabilical al suelo. En este caso, la resistencia del material se ve poco afectada por el humedecimiento, mientras que el suelo natural, al tener una ganancia de agua, pierde su resistencia casi en su totalidad; la condición de secado es la única que parece mostrar que el suelo natural presenta mayor resistencia a la del suelo-estabilical.
3.4. Módulo de resiliencia
Las Figuras 3.5, 3.6 y 3.7 muestran los resultados de módulo de resiliencia en algunas condiciones de curado. En estas gráficas se aprecia un comportamiento similar al observado para la resistencia en compresión simple. Es decir, los módulos de resiliencia del suelo natural no presentan cambios apreciables para muestras que solo se almacenan; para las mismas condiciones, los valores de módulo de resiliencia del suelo que tiene estabilical son superiores (Figura 3.5). Para las muestras que se secaron a 7 y 28 días, los módulos parecen ser similares tanto para el suelo natural como para el estabilizado (Figura 3.6). Nuevamente, con los resultados de módulo de resiliencia se observa que el suelo natural pierde casi completamente su rigidez cuando el material absorbe agua, mientras que el suelo con estabilical al parecer incrementa ligeramente sus módulos cuando es expuesto al agua (al menos para la condición de humedecimiento estudiada) (Figura 3.7).
Figura 3.5. Módulos de resiliencia del suelo del suelo con y sin estabilical: 14 y 28 días de almacenamiento.
Figura 3.6. Módulos de resiliencia del suelo con y sin estabilical para muestras que se secaron.
Figura 3.7. Módulos de resiliencia del suelo con y sin estabilical para muestras que se almacenaron y después se humedecieron 14 días
3.5. Deformación permanente
En la Figura 3.8 se colocaron solo algunas de las gráficas de las pruebas de deformación permanente. De ésta se observa que el suelo natural tanto en condiciones de almacenamiento como en condiciones de secado indican una deformación permanente de 0.2%; el suelo con estabilical indica deformaciones del orden de 0.1% para las mismas condiciones. Aquí se reitera el efecto del agua en las condiciones de deformación; es decir, el suelo natural que incrementa su contenido de agua soporta menos de 100 ciclos de carga cíclica, mientras que el suelo que tiene estabilical soporta los 20 000 ciclos de prueba; además, los niveles de deformación permanente se mantienen en los observados para especímenes que se secaron o se almacenaron.
Figura 3.8. Comportamiento de la deformación permanente de especímenes en tres condiciones de prueba. Suelo con y sin estabilical.
4. Conclusiones
El estudio mostrado en este documento compara propiedades mecánicas de un suelo en estado natural con el mismo suelo estabilizado con 5% de estabilical. Los resultados de CBR, resistencia en compresión simple, módulo de resiliencia y deformación permanente demuestran de forma clara que la estabilical sí potencializa las propiedades de suelo natural para algunas condiciones de prueba. De hecho, las pruebas realizadas en muestras que se humedecen dejan ver que el suelo que contiene estabilical no pierde resistencia cuando está expuesto a condiciones de humedad (característica muy común en pavimentos cuando se presenta la época de lluevias). Por lo anterior, de este estudio se concluye que la estabilical es efectiva para mejorar las propiedades mecánicas evaluadas del suelo en estudio.
5. Agradecimientos
Se agradece al grupo CALIDRA (cuyos representantes son el Ing. Francisco Javier Castañeda e Ing. Mario Enrique Peña) que permitió publicar los resultados del proyecto IE-14/17 “Evaluación de las propiedades mecánicas de suelos tratados con estabilical”.
Se agrade la participación en el proyecto de Jocelyn de Los Santos, estudiante de maestría de la Universidad de Chihuahua, de Sarahi Patricia Montiel, estudiante del Tecnológico de Tehuacán y David Leyva, estudiante del Instituto Tecnológico de Durango.
6. Bibliografías y referencias Amu, O. O., Bamisaye, O. F., y Komolafe, I. A. (2011). The suitability of lime stabilization requirement of some lateritic soil samples as pavement. Int. J. Pure Appl. Sci. Technol., 2(1) (2011). Pp. 29-46.
Department of Transportation and Main Roads. Queensland Government. Technical Note 151. Testing Materials for lime Stabilization. June 2018.
Ehiopian Roads Authority. Pavement Design Manual. Volume I. Flexible Pavements and Gravel Roads-2002. Chapter 7. Cement and Lime Stabilized Materials.
Illinois Department of Transportation (2005). Pavement Technology Advisory. Subgrade Modification and Stabilization. PTA-D7. Design, Construction and Materials.
Little, D. N. (1999). Evaluation of structural properties of lime stabilized soils and aggregates. Volume 1. Summary of findings. Prepared for the lime Association. January, 1999.
Little, D. N. y Yusuf, F.A. M. S. (2001). An example problem illustrating the application of the National lime Association mixture design and testing protocol (MDTP) to ascertain engineering properties of lime-treated subgrades for mechanistic pavement design/analysis. Reporte FHWA/MS-DOT-RD-01-129.
Shivaji, K. P. (s.f.). Experimental study on use of ceented materials for pavements. ww.iitk.ac.in/transEL/thesis%20abstracts/PravinKolhe07.pdf, consultado 23 julio 2018.
PÉREZ Natalia PÉREZ Alfonso GARNICA Paul |
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