|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Introducción El agrietamiento por fatiga en un pavimentos es la falla más conocida, causada por los ciclos repetidos de carga-descarga que inducen deformaciones de tensión repetidas en la parte inferior de las capas, y que poco a poco se propagan hacia arriba cambiando las propiedades de módulo de resiliencia, la distribución de esfuerzos y deformaciones de la estructura del pavimento suelo y en el suelo de la subrasante. La metodología contemporánea para un diseño de pavimentos conveniente, se desprende de conocer las propiedades y características básicas de los materiales que formarán parte de las respectivas capas del pavimento; estas propiedades son un tanto más significativas para las capas estabilizadas, las que se pueden dividir en cuatro categorías: · Resistencia y deformación permanente · Propiedades resilientes · Características de fatiga · Durabilidad La necesidad de estabilizar un suelo en pavimentos, aparece cuando los materiales disponibles para carreteras resultan susceptibles a cambios en su contenido de agua, y cuando económicamente convenga utilizar suelos estabilizados. El tipo y grado de estabilización requerida en cualquier caso dado, es principalmente un problema de disponibilidad y costo de los materiales, así como su compatibilidad con las condiciones del suelo existente. El tránsito anticipado y las condiciones climáticas son también de gran importancia en la selección del método de estabilización. La estabilización de suelos en la construcción de carreteras se define como un proceso de mejorar el comportamiento mediante reducir su susceptibilidad a la influencia del agua y condiciones del tránsito en un periodo de tiempo razonable. En la actualidad, el principal empleo de la estabilización en suelos, es en la construcción de la capa base de la estructura de pavimento; también puede ser en la construcción de caminos revestidos y en el mejoramiento de la subrasante. Las propiedades resilientes de las capas del pavimento definen su eficiencia en la distribución de los esfuerzos inducidos en el sistema de pavimento. La estabilización con cal, a menudo provoca un aumento de hasta 1,000% en el Módulo de Resiliencia, comparado con el Módulo de Resiliencia del suelo sin tratar. No obstante, esto podría provocar problemas de agrietamiento. Estudios de la Asociación Nacional de la Cal en Estados Unidos en 1976, han revelado que capas estabilizadas con cal, y sometidas a los efectos del ambiente mantiene niveles satisfactorios de resistencia por más de 40 años. El daño potencial por fatiga se evalúa al determinar la relación existente entre el esfuerzo de tensión por flexión inducido, y la resistencia a tensión por flexión de la capa del pavimento. Conocimiento actual del comportamiento a tensión en suelos Usos de la resistencia a tensión en suelos La resistencia a la tensión de un suelo es a menudo considerada insignificante para su aplicación en obras de ingeniería o muy pequeña o igual a cero. Es común dejar de lado la resistencia a la tensión en el análisis y diseño de estructuras de tierra, siendo que es muy útil conocer las propiedades de los suelos en tensión para comprender el agrietamiento de presas de tierra, terraplenes, y como ya se mencionó, en pavimentos. Algunas aplicaciones de la resistencia a la tensión, y que se encuentran en pleno desarrollo son: · En el agrietamiento de terraplenes · En la limpieza in situ de suelos contaminados · En el diseño de pavimentos Agrietamiento longitudinal en los terraplenes de carreteras. El agrietamiento longitudinal en los terraplenes de las carreteras consiste en la aparición de una grieta o familias de ellas, con trazas muy próximas que se desarrollan sistemáticamente a 1 o 2m del borde del terraplén, usualmente en el acotamiento, muy pegadas al fin de la carpeta. Este agrietamiento puede destruir la carpeta de no ser corregido a tiempo. El mecanismo de agrietamiento se origina debido a la modificación del régimen hidráulico al colocar un terraplén, en forma tal que impide la evaporación en el terreno natural subyacente. El terraplén construido con suelos finos gana agua del subsuelo por capilaridad, y al evaporarse origina procesos de contracción volumétrica. Si se emplean suelos con una fuerte susceptibilidad a cambios volumétricos por cambios en el contenido de agua, se estará intensificando el riesgo de agrietamiento. A partir de conocer las expansiones y contracciones del terraplén y del terreno de cimentación, se puede estimar la distribución de los esfuerzos de tensión generados, mediante modelos en computadora. Con base en simulaciones, y considerando una expansión y contracción máxima de 20% para representar un problema severo de agrietamiento, se determinó la factibilidad de generarse esfuerzos de tensión principal efectivos, máximos de 75kg/cm2 en los bordes del terraplén. Las conclusiones del modelo son que las contracciones tienen mayor influencia en el desarrollo del agrietamiento que las expansiones, y que es mucho más significativo el cambio volumétrico diferencial en el cuerpo del terraplén que en el terreno de cimentación. Dado que los suelos tradicionalmente usados en la construcción de terraplenes nunca podrán desarrollar resistencias adecuadas a tensión, es necesario estabilizar el suelo para minimizar su potencialidad a los cambios volumétricos; otras alternativas comprenden la utilización de taludes sobrepuestos a los existentes y con mucha mayor inclinación para que las grietas aparezcan sobre los taludes adosados; otros son el uso de geosintéticos, la colocación de capas rompedoras de capilaridad y la colocación de vegetación en los taludes. Remediación in situ para suelos contaminados Una gran cantidad de métodos in situ para extraer los contaminantes depositados en los suelos consiste en biorrespiraderos, extracción por vapor, tratamientos biológicos, inyección de lechadas de suelo a presión, bombeo y otros más. La resistencia a tensión tiene un papel preponderante en las investigaciones realizadas en laboratorio sobre el mecanismo de fracturamiento de suelos de baja permeabilidad. Se estudia principalmente lo relacionado con la presión para generar el agrietamiento y el crecimiento de éste mediante ensayes de probetas de suelo provistas de ductos verticales y horizontales (Figura 1).
La presencia inicial de fracturas provocadas artificialmente mediante ranurado del suelo aminora la presión de inyección requerida para iniciar el fracturamiento, está no gobierna la dirección de propagación de las mismas. En los ensayes, la tendencia fue siempre perpendicular al menor esfuerzo de compresión aplicado. Diseño de pavimentos La acción de las cargas repetidas ocasionadas por el paso de los vehículos sobre la capa de rodamiento induce esfuerzos de tensión a las capas estabilizadas y causa el agrietamiento por fatiga. Por esta razón, es importante determinar las características de fatiga mediante ensayes en probetas sujetas a esfuerzos repetidos de tensión indirecta y por flexión. Dispositivos para ensayes a tensión en suelos Generalidades Los dispositivos para este propósito se derivaron de ensayes encargados a determinar la resistencia a tensión de otros materiales, tales como rocas y concreto hidráulico. Los procedimientos actualmente en uso para determinar la resistencia a tensión se pueden catalogar, básicamente en tres tipos de ensayes: · Pruebas de tensión directa, por medio del ensaye de especimenes cilíndricos o prismáticos, sometidos a una fuerza de tensión axial · Prueba de tensión indirecta, con base en el ensaye de especimenes cilíndricos, sujetos a una carga de compresión diametral · Prueba de tensión por flexión en especimenes prismáticos (vigas) ensayados opcionalmente con una carga concentrada en el centro del claro, o con dos cargas concentradas iguales en los tercios del claro La experiencia indica que es más complicado ensayar los suelos a tensión que a compresión. No obstante, basándose en la experiencia de investigaciones previas, se ha determinado que el ensaye de tensión indirecta tiene las siguientes ventajas sobre los demás tipos de ensayes (Addanki, V et al, 1974) · La preparación de los especimenes y su manejo durante el ensaye es considerablemente más fácil · El equipo para el ensaye es muy similar a uno ordinario de compresión. · La falla es relativamente independiente de las condiciones de superficie y de los planos de compactación; inicia y se desarrolla en una región con esfuerzos de tensión, relativamente uniformes · Para materiales frágiles, la prueba es capaz de proporcionar en buena medida la resistencia uniaxial del suelo Ensaye a tensión directa Es el procedimiento que menos se emplea por la dificultad que representa aplicar una fuerza de tracción perfectamente colineal con el eje del espécimen, pues cualquier excentricidad introduce esfuerzos secundarios significativos que hacen fallar prematuramente al espécimen. Si se consigue dicha colinealidad, es posible crear un estado de esfuerzos a tensión uniforme en cualquier sección transversal a lo largo del espécimen, y en esta condición la ruptura del suelo puede ocurrir en cualquier lugar del cuerpo del espécimen (según un plano de falla sensiblemente perpendicular a la dirección de la fuerza de tracción), pues la ubicación del sitio preciso de ruptura depende de la existencia de discontinuidades cuya distribución es aleatoria en toda la longitud del espécimen. Conforme esta condición de ensaye, es máxima la posibilidad de que el espécimen falle en una zona más débil, y es la justificación para que la resistencia a tensión del suelo medida de esta manera sea inferior a la determinada por los otros dos procedimientos, en los que esta probabilidad es menor. Ensaye a tensión indirecta También llamada tensión por compresión diametral, consiste en ensayar un espécimen cilíndrico en posición horizontal, sometiéndolo a la acción de dos fuerzas opuestas de compresión uniformemente distribuidas a lo largo de las generatrices contenidas en su plano vertical de simetría; de manera que, al quedar sometido el cilindro a esta condición de carga a compresión diametral, se produce en dicho plano la distribución de esfuerzos. A fin de reducir la concentración de esfuerzos de compresión a lo largo de las generatrices, se interponen dos tiras de material compresible (generalmente madera laminada) entre la superficie del espécimen y las placas, o piezas metálicas que transmiten las cargas. De esta forma se evita la ruptura del suelo por aplastamiento en la zona de contacto, y se consigue que el espécimen falle por efecto de los esfuerzos de tensión, según una superficie de falla normal a estos, que corresponde sensiblemente al plano vertical en que actúan las cargas. Ensaye a tensión por flexión Existen dos pruebas para determinar la resistencia del suelo a tensión por flexión. En ambas se utiliza el mismo tipo de probeta prismática, que se ensaya a flexión como una viga libremente apoyada, con la diferencia del modo en que se aplica la carga: en un caso, la flexión se produce con una carga en el centro del claro, y en el otro con dos cargas concentradas iguales, aplicadas en los tercios del claro. La prueba de flexión con carga en los tercios se utiliza para determinar, además de la resistencia a tensión, el modulo de flexión y características de fatiga de suelos estabilizados (TM 5-825-2-1, AFM). Este procedimiento aplica cargas repetidas sobre especímenes prismáticos elaborados en laboratorio, bajo condiciones controladas de esfuerzo. Se monitorea tanto la carga aplicada como la deflexión a lo largo del eje neutro y en la superficie inferior de la viga. Para desarrollar un modelo de repetición de esfuerzos es recomendable ensayes con el 40%, 50%, 60% y 70% de la máxima carga de ruptura; sin embargo, pueden variarse estos niveles de esfuerzo. Los datos registrados incluyen: carga, deflexión a lo largo del eje neutro, esfuerzo en la cara inferior de la viga, y el número de repeticiones de carga. Las características de fatiga del material pueden observarse al graficar el nivel de esfuerzo aplicado y el número máximo de ciclos que resistió antes de producirse la falla de la viga. De esta manera, puede encontrarse alguna ecuación que gobierne al fenómeno. Experimentación Descripción y propiedades del material utilizado Suelo El material empleado en el desarrollo del proceso experimental es representativo de los suelos arcillosos que se encuentran comúnmente en el terreno de cimentación del pavimento, patios de maniobra, calles de rodaje, accesos, vías férreas, etc., y en algunas ocasiones formando parte de las terracerías. En este caso, el suelo se tomó del sitio denominado El Salitre, en la ciudad de Santiago de Querétaro, mediante sondeos a cielo abierto, obteniendo muestras alteradas. En la tabla 1 se muestran las características de plasticidad del suelo, así como de los suelos resultantes de mezclar cal hidratada a razón de 3%, 6% y 9% en peso. Tabla 1 Propiedades plásticas de la arcilla en estudio
Al suelo en estudio se realizó la prueba de compactación Próctor estándar. En esta investigación se denomina tiempo de reposo o de humectación capilar al lapso que permanece el material en bolsas plásticas con la humedad de elaboración hasta antes de su compactación. Se denomina tiempo de curado al lapso que permanece la probeta ya compactada en bolsas plásticas, desde el momento de su compactación hasta su ensaye posterior. Cal La cal hidratada que se emplea en la estabilización de suelos debe reunir los requisitos de la Norma ASTM C 977-02 en cuanto a su composición química y tamaño de grumos (Tabla 2). La cal hidratada utilizada presentó un 3% retenido en la malla No. 200 y el 100% de la muestra pasó la malla No 30. Tabla 2 Especificaciones químicas y físicas de la cal hidratada
AguaLas características del agua para el experimento se presentan en la tabla 3 Tabla 3 Resultados del análisis del agua
Equipo de ensaye a tensión indirecta En el estudio se realizaron ensayes para determinar la resistencia a tensión, y características de fatiga de una arcilla compactada estáticamente y estabilizada con cal, mediante un dispositivo para inducir los esfuerzos de tensión de forma indirecta a través de compresión diametral. El dispositivo de ensaye consta de dos puentes móviles que se desplazan sobre dos guías tubulares empotradas en una base metálica. El puente móvil superior consta de un cabezal de carga que se acopla al pistón del equipo de ensaye servo-hidráulico que transmite la carga; además, en su parte inferior está provisto de una barra metálica que se adapta a la circunferencia del espécimen para asegurar la aplicación de la carga en el eje vertical diametral de la probeta a ensayar. El puente móvil inferior se emplea para colocar los transductores que medirán la deformación horizontal del espécimen al momento del ensaye. Mediante dos tornillos horizontales que se insertan exactamente en el centro de la cara lateral del espécimen, éste es colocado en posición. El puente está provisto de dos oquedades en las que se insertan y empotran los sensores que medirán las deformaciones horizontales. Elaboración de especimenes Dosificación de materiales La dosificación del material se hizo con una cantidad suficiente para obtener tres probetas de suelo con características similares de compactación (carga y humedad) y contenido de estabilizante. Las dimensiones de las probetas utilizadas, fueron de 4pulg de diámetro y 2.5pulg de altura. Determinación del contenido estabilizante Las características granulométricas y de plasticidad son los factores principales que se toman en cuenta para determinar de manera rápida y razonable, el tipo de estabilizante y la cantidad necesaria para el mejoramiento de un suelo. La estabilización se realiza con la intención de disminuir los espesores de las capas del pavimento. Para determinar el contenido óptimo de cal se monitoreó la reducción que se presenta en el Índice Plástico (IP) para diferentes contenidos de cal. Un contenido de cal es el óptimo si limita al Índice Plástico a un valor máximo de 15%. Determinación del contenido de agua El contenido óptimo de agua se determinó mediante la prueba de compactación Próctor estándar, el resultado fue un 28% de humedad aproximadamente. Determinación del tipo de compactación Se realizaron ensayes de compactación a diferentes velocidades de aplicación de carga y diversas magnitudes máximas. El objetivo es tratar de reproducir la curva de compactación Próctor estándar. Las magnitudes máximas de carga estática que se manejaron para compactar el suelo fueron de 600, 800 y 1000kg; estas cargas se aplicaron mediante dos velocidades de deformación, 3.5 y 8.5mm/min. Debido a que para una velocidad de aplicación de carga de 8.5mm/min se obtienen Pesos Específicos Secos Máximos más cercanos a los de la prueba de compactación Próctor estándar se decidió llevar a cabo los especimenes con esta velocidad de aplicación. Humectación capilar del suelo Las muestras de suelo se elaboraron según las características granulométricas determinadas. Posterior a la dosificación, las muestras se almacenaron dentro de bolsas plásticas para prevenir una contaminación con otros materiales. La humectación capilar de las muestras de suelo consiste en sujetarlas a un periodo de humectación de 24h, en cuyo transcurso alcanzarán su saturación uniforme. Es muy importante realizar una humectación apropiada, pues de ello depende en gran parte la variabilidad que pueda presentarse en los resultados experimentales. El proceso de humectación debe realizarse en un cuarto cerrado, donde no existan corrientes de aire. Compactación de especimenes Los especímenes se compactan en una sola capa a través de aplicar carga monotónica a una velocidad de 8.5mm/min hasta alcanzar la presión máxima de compactación fijada (600, 800 ó 1000kg). Después del acomodo del suelo en el molde, se compacta la probeta a la velocidad y carga máxima especificada. Luego de alcanzar la carga máxima se mantiene por 2min. Posteriormente se procede a pesar el espécimen, etiquetarlo y almacenado en bolsas plásticas para una adecuada conservación de la humedad. Curado Se efectúa dentro de bolsas plásticas, las cuales aseguran que la humedad de las muestras permanecerá sin variaciones hasta el momento del ensaye. Las probetas se depositan en estantes en un cuarto cerrado, donde la temperatura se mantiene prácticamente constante durante las 24h del día, siendo la temperatura aproximadamente de 23°C. Resultados Influencia del contenido de agua A partir de un contenido de agua cercano al óptimo, se presenta la máxima resistencia a tensión. Este comportamiento se presenta en todos los niveles de energía de compactación empleados. Influencia del peso volumétrico La compactación de suelos estabilizados con cal trae consigo la obtención de pesos volumétricos inferiores a los del suelo sin estabilizar para una misma energía de compactación. A medida que se incrementa el contenido de cal, la reducción resulta más evidente. La máxima resistencia de tensión se obtuvo para el suelo estabilizado con 6% de cal. Las obtenidas en el suelo estabilizado con un 3% de cal son menores que las alcanzadas para el suelo sin estabilizar. Una estabilización con un 9% no incrementa la resistencia del material. Influencia de la energía de compactación Tiene una gran influencia en la resistencia a tensión alcanzada por el suelo. A medida que se incremente, se logran mayores resistencias. Para todos los niveles de estabilización realizados, se pudo apreciar que el aumento en la energía de compactación provoca un incremento en la resistencia a tensión exceptuando en la estabilización realizada con un 9% de cal y para el suelo compactado con 1,000kg (12.3kg/cm2) de presión estática, se tiene una caída en la resistencia a tensión para grados de saturación por encima del 72%. Influencia del tiempo de curado Para determinar la influencia del tiempo de curado en la resistencia a tensión, se elaboraron especímenes con un contenido de cal de 6% y compactados con una carga de 1,000kg (12.3kg/cm2), los cuales fueron ensayados a 3, 14 y 28 días después de compactarse. Los estudios de laboratorio indican que el tratamiento con cal incrementa las características de resistencia del suelo, medidas a través de determinar del Valor Relativo de Soporte (VRS). Influencia del tiempo de humectación capilar Para identificar la influencia del tiempo de humectación capilar sobre la resistencia a tensión, se procedió a elaborar especimenes con un tiempo de humectación de 3, 24, 120 y 510h. Un tiempo de humectación más allá de 24h provoca una disminución considerable en la resistencia a tensión del suelo. Los factores que influyen en la expansión y contracción de un suelo no quedan comprendidos únicamente en su naturaleza básica (mineralogía, succión, plasticidad, características químicas del agua del suelo, densidad, etc), sino que además intervienen factores ambientales y el estado de esfuerzos actuantes. Es por ello que el diseño de pavimento, deberá incorporar el conocimiento del comportamiento climático (temperaturas y contenidos de agua del suelo) de la región en que se desarrolla la obra. No se debe pensar que un suelo tendrá un mismo comportamiento en cualquier época del año. Propiedades a la fatiga Estudios en otros materiales Concreto hidráulico El número de ciclos de carga-descarga que puede resistir el concreto depende del nivel del esfuerzo máximo aplicado (σt/σr); conforme disminuye este nivel se incrementa el número de ciclos que el concreto puede soportar. Debido a la falta de definición de un límite de duración por fatiga en el concreto, no es teóricamente viable diseñar estructuras para una vida de servicio limitada por este concepto. Por consiguiente, en la práctica suele adoptarse el criterio de diseño para que el concreto resista conservadoramente las condiciones de fatiga que se pueden presentar en la estructura en el curso de su vida útil. Concreto asfáltico Para la caracterización de los materiales en la elaboración de una mezcla asfáltica se procede a determinar, entre otras cosas, las propiedades a la fatiga y a deformación permanente bajo carga repetida durante el ensaye de probetas de concreto asfáltico en condiciones controladas. Un tipo de ensaye muy recurrido es la prueba de tensión por compresión diametral. Resultados experimentales sobre fatiga en suelos estabilizados Deformaciones permanentes El agrietamiento por fatiga en las capas asfálticas de rodamiento se ocasiona por sobrepasar los esfuerzos de tensión derivados de la repetición de cargas del tránsito, a la resistencia de tensión en la parte inferior de la carpeta. Los métodos Mecanicistas de diseño de pavimentos incluyen en su procedimiento de cálculo los criterios de falla a la fatiga y la deformación permanente de las capas del pavimento. Modulo de resiliencia (Mr) Es otra de las propiedades fundamentales para caracterizar los materiales constitutivos de un pavimento, dentro de los métodos mecanicistas. La deformación presente en cada capa da una idea clara de la rigidez de la misma y el Mr indica la capacidad de transmisión de las cargas de los materiales que constituyen el pavimento. El Mr se define como la relación entre el esfuerzo desviador aplicado a una probeta de suelo en un ensaye de compresión triaxial y la deformación axial recuperable. Conclusiones Es necesario, un dominio en el conocimiento del comportamiento de la resistencia a la tensión en suelos para resolver problemas en estructuras sujetas a ciclos de carga-descarga repetida, como es con los pavimentos. Un tiempo adecuado para la compactación del suelo estabilizado, sería antes de 24h para obtener buenas densidades secas y resistencia a la tensión. La energía de compactación influye en la rigidez de un suelo, de ahí que energías de compactación altas darán pesos específicos altos y por ende, resistencias altas a tensión. A medida que se incremente el contenido de cal en el suelo, este se va haciendo cada vez menos sensible a los incrementos de la energía de compactación. Un adecuado funcionamiento de la capa subrasante incluye una baja susceptibilidad a sufrir cambios volumétricos originados por variaciones de humedad. Los defectos estructurales de un pavimento son a menudo originados por un suelo con gran potencial de expansión. Bibliografía ASTM “Standard test method for indirect tension for resilient modulus of bituminosus mistures”. ASTM Designation D 4123, 1995. Krishnayya, Addanki; Zdenek Eisenstein y Norbert R. Morgenstern. “Behavior of compacted soil in tension”. Journal of the Geotechnical Engineering division. Pp 1051- 1061, 1974. La edición del presente artículo fue elaborada por *Síntesis del documento: GARNICA, Paul; Guadalupe MARTÍNEZ y Edgar PRADO, “Algunos aspectos de la resistencia a la tensión y fatiga en suelos arcillosos estabilizados con cal”, Publicación Técnica No. 230, Instituto Mexicano del Transporte, Sanfandila, Qro, 2003.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
