|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1. Introducción A medida que la población se incrementa y existe una mayor necesidad por construir nuevos caminos y carreteras, es necesario explotar más bancos para extraer los materiales que se utilizarán en la construcción de dichas obras, sin embargo, cada vez será más difícil tener acceso a este tipo de bancos si se desea crear menos daño al medio ambiente. Por esto y como una forma de utilizar la mayor parte de los materiales que se tienen a lo largo de los proyectos de caminos y carreteras (aunque no cumplan con especificaciones), existen en el mercado varios productos que prometen mejorar las propiedades de los materiales que se utilizan en la sección estructural. Sin embargo, antes de que sean utilizados en la construcción, es necesario estudiarlos para responder las siguientes preguntas: ¿Cuáles son las propiedades que mejora el producto?, ¿En qué medida se presentan los incrementos o reducciones de las propiedades?, ¿Cuál es el diseño de la mezcla?, etc. En este artículo se presentan los resultados que se obtuvieron al estabilizar un material marginal con cemento (que es uno de los productos que generalmente se usa), es decir, un material que en su estado natural no cumple con los requisitos para ser utilizado en la construcción de caminos o carreteras. 2. Estabilización con cemento El cemento es uno de los productos que generalmente se elige cuando se desea estabilizar materiales en la construcción de carreteras. Éste puede agregarse tanto a los materiales de subrasante, subbase y base. En varios países se han llevado a cabo diversas investigaciones sobre comportamiento de materiales estabilizados y se ha llegado a la conclusión de que este producto mejora en gran medida las propiedades de resistencia y deformabilidad. Cuando se lleva a cabo investigación sobre el cemento como material estabilizante, la propiedad que se estudia generalmente es la resistencia a la compresión no confinada, ya que en muchos casos se especifica que una vez que el material es compactado en campo y después de un cierto número de días, éste debe alcanzar un valor de resistencia especificado, sin embargo, es necesario que las propiedades que se estudien en laboratorio estén relacionadas con los fenómenos a los que va a estar expuesta la estructura una vez que esté en funcionamiento. En este estudio se llevaron a cabo pruebas de compresión simple, módulo de ruptura y fatiga; estas dos últimas pruebas parecen simular mejor las condiciones de campo. 3. Propiedades Índice del material estudiado 3.1 Arcilla en estado natural El suelo utilizado en el estudio corresponde a una arcilla de alta compresibilidad clasificada como CH según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. La Tabla 1 resume las propiedades índice así como las propiedades de compactación del material en estado natural y la Figura 1 muestra la curva de compactación Proctor modificada Tabla 1. Resumen de las propiedades índice y propiedades de compactación
Figura 1. Curva de compactación Proctor Modificada de la arcilla CH 3.2. Arcilla estabilizada Para llevar a cabo la preparación de los especímenes se requirió la determinación de la curva de compactación del material estabilizado con cemento. Utilizando el método de prueba ASTM D 1557 se determinó que la humedad óptima y el peso volumétrico seco máximo para la mezcla fueron de 27.0 y 13.92 kN/m3, respectivamente. Por tanto, esta condición de contenido de agua y peso volumétrico seco máximo fueron los utilizados para la preparación de los especímenes. 4. Preparación de los especímenes de estudio Los procedimientos de preparación de especímenes fueron los siguientes: Para los especímenes de suelo en estado natural: 1. Después de cribar el suelo por la malla No. 4 se dejó secar al ambiente. 2. Posteriormente se pesó la cantidad de suelo necesario para la preparación del espécimen. 3. Se agregó al suelo la cantidad de agua necesaria para alcanzar el contenido de agua óptimo; se permitió una variación de ± 1 %. 4. Se colocó el material en una bolsa de plástico y se dejó reposar por 24 horas para uniformizar el agua en toda la muestra. 5. Al siguiente día se preparó el espécimen en un molde cilíndrico de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura para pruebas de compresión no confinada. El espécimen se compactó en 8 capas; en cada capa se aplicaron 62 golpes con un pisón de 4.5 kg; con estas características se alcanzó el peso volumétrico seco máximo. 6. Finalmente, los especímenes se ensayaron en compresión a una velocidad de 1.2 %/min hasta alcanzar la falla del espécimen. Para los especímenes de suelo estabilizados con cemento: 1. Después de cribar el suelo por la malla No. 4 se dejó secar al ambiente. 2. Posteriormente se pesó la cantidad de suelo necesario para la preparación de una muestra. 3. Se agregó al suelo 8 % de cemento con respecto a peso seco, se mezcló completamente y posteriormente se agregó la cantidad de agua para alcanzar el contenido de agua óptimo; se permitió una variación de ± 1 %. 4. Se compactó el espécimen de tal forma que se alcanzará el peso volumétrico seco máximo; en este caso también se permitió una variación de 1 % en este parámetro. 5. Para el caso de muestras a ensayarse en compresión simple, los especímenes se compactaron en un molde de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura. Se compactaron en ocho capas con un pisón de 4.5 kg; el número de golpes fue el requerido para alcanzar el peso volumétrico seco máximo. 6. Para muestras prismáticas (vigas), los especímenes se compactaron en 5 capas con un pisón de 4.5 kg (Figura 2a y 2b). Cada capa se compactó con 140 golpes. 7. Después de compactar los especímenes, algunos se ensayaron inmediatamente y tros se colocaron en un cuarto húmedo por el tiempo de curado especificado. 8. Algunos de los especímenes se ensayaron en compresión simple, otros en prueba de módulo de ruptura y otros en prueba de fatiga.
Figura 2. Compactación de las muestras prismáticas; (b) Muestra al final de la compactación 5. PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA 5.1. Prueba de compresión no confinada Para determinar la resistencia en compresión no confinada se utilizó un marco de carga INSTRON. Después de colocar el espécimen en los platos de compresión, se aplicó carga a una velocidad de 1.2 %/min hasta alcanzar la falla del espécimen (Figura 3). Finalmente, en el caso de especímenes de suelo natural, al final se disgregaron para determinar el contenido de agua final.
Figura 3. (a) Muestra ensayada en compresión simple; (b) Resultados esfuerzo-deformación de dos muestras ensayadas en compresión simple. 5.2. Prueba de módulo de ruptura y fatiga Para estudiar el efecto de fatiga de los materiales estabilizados se requiere realizar dos tipos de prueba: la de módulo de ruptura y la de carga cíclica. La primera se lleva a cabo con aplicación de carga en los tercios medios de una viga de dimensiones 15 x 15 x 50 cm (ancho, profundidad y largo, respectivamente) (Figura 4b); la velocidad de aplicación de carga en este caso fue de 5.2 kN/min. Para la prueba de fatiga y después de que los especímenes alcanzaron el tiempo de curado, las vigas se sometieron a ciclos de carga y descarga (carga aplicada en los tercios medios) con una onda tipo haversine a una frecuencia de 1 Hz (Figura 4a). La amplitud de la onda aplicada corresponde a la relación de esfuerzo requerida (carga aplicada/módulo de ruptura). Esta amplitud fue de 90, 70 y 50 % (Figura 4a); para cada uno de los porcentajes aplicados se ensayaron dos especímenes o tres en algunos casos. En la gráfica de fatiga mostrada en los resultados se indican todos los puntos.
Figura 4. (a) Aplicación de la carga a una frecuencia de 1 Hz ; (b) Viga fallada al final de la prueba de módulo de ruptura o prueba de fatiga. 6. RESULTADOS
6.1. Compresión no confinada Como se mencionó anteriormente, la resistencia en compresión es uno de los parámetros utilizados para controlar la calidad de los materiales estabilizados. Como se observa en la Figura 5a, los tiempos de curado a los que se llevaron a cabo los ensayes fueron de 0, 7, 14, 28, 60, 90 y 180. Se nota que para la arcilla estabilizada con 8 % de cemento la resistencia hasta 28 días de curado se incrementa rápidamente mientras que la velocidad de este incremento es menor entre 28 y 60 días de curado. Por otro lado, para tiempos de curado de 90 y 180 días, la resistencia en compresión se reduce. Además de lo anterior, la gráfica indica la diferencia entre las resistencias del material con y sin estabilizante. De hecho, la resistencia de la arcilla compactada en estado natural se mantiene relativamente constante a un valor de 8 kg/cm2 mientras que la resistencia máxima que se puede alcanzar en el material estabilizado es de 80 kg/cm2. Otro de las características importantes que se obtienen en las pruebas de resistencia en compresión sin confinar es la deformación axial en la falla. En la Figura 5b se muestra el comportamiento de este parámetro. La figura indica que la deformación a la falla para la arcilla sin estabilizar inicia en un 5 % para material que se ensaya inmediatamente después de ser compactado y se va reduciendo a medida que el tiempo de curado se incrementa. Para 180 días de curado la deformación axial en la falla se reduce a un valor menor de 2 %, es decir, a medida que el tiempo de curado se incrementa la rigidez del material también lo hace. Por otro lado, para el material estabilizado con cemento se tiene que el cemento actúa inmediatamente después de ser aplicado junto con el agua, es decir, las muestras que se ensayan inmediatamente de ser compactados presentan un valor de deformación en la falla aproximado de 1.7 % y posteriormente se mantiene aproximadamente constante a un valor de 1 %.
Figura 5. Comportamiento de la resistencia en compresión simple y de la deformación axial en la falla de la arcilla natural y la estabilizada con 8% de cemento 6.2. Módulo de ruptura El módulo de ruptura es una prueba que se utiliza para determinar la resistencia a la flexión de un material, pero además este parámetro se usa para determinar características de fatiga como se verá en el siguiente inciso. En este estudio se ensayaron vigas estabilizadas con cemento en prueba de módulo de ruptura y tiempos de curado de 0, 14 y 90 días. La Tabla 2 resume los valores de módulo de ruptura obtenidos para las vigas y las características de cada uno de los especímenes. Los valores de tabla indican que el módulo varió entre 180 y 873 kPa para los tiempos de curado utilizados. Tabla 2. Características de las vigas ensayadas en módulo de ruptura (arcilla estabilizada con 8 % de cemento)
La Figura 6 es una gráfica típica de los resultados de módulo de ruptura. En este ejemplo se grafican las curvas de tiempo contra carga y tiempo contra deflexión para la viga 2. La carga máxima que soportó fue de 6.7 kN y una deflexión a la falla de 0.131 mm. Los resultados de la tabla indican que las deflexiones soportadas por las vigas no exceden valores de 0.2 mm, es decir, la deflexión que puede soportar un material estabilizado con cemento es muy pequeña. Entonces, se observa que al agregar cemento a una arcilla ésta incrementa su resistencia pero también reduce su flexibilidad para soportar deformaciones.
Figura 6. Prueba de Módulo de ruptura para la viga 2 6.3. Resistencia a fatiga Una vez obtenidos los módulos de ruptura, se decidió que las relaciones de esfuerzo a ser aplicadas en la prueba de fatiga serían de 90, 70 y 50 %, es decir, las cargas cíclicas a aplicar fueron 90, 70 y 50 % de las cargas máximas obtenidas en la prueba de módulo de ruptura. Los tiempos de curado que se analizaron en esta prueba fueron 0, 14 y 90 días. Los datos que se registran en la prueba de fatiga son las deflexiones de la viga y el número de ciclos soportados en la falla. De la gráfica de número de ciclos a la falla contra relación de esfuerzo se observa que los especímenes que se ensayaron inmediatamente después de ser compactados resisten pocas repeticiones de carga y a medida que el tiempo de curado se va incrementando el número de repeticiones a la falla se incrementa como lo muestran las líneas de tendencia que se dibujaron (Figura 7). Es importante hacer notar que las líneas de tendencia son aproximadas ya que se requiere de un mayor número de ensayes para establecer un modelo de fatiga más concluyente.
Figura 7. Tendencias aproximadas de la ley de fatiga de la arcilla estabilizada con cemento Para diseñar espesores de pavimento en lo que estarán involucrados materiales estabilizados es importante la utilización de las leyes de fatiga ya que éstas son las que determinan el número de repeticiones que soportará el material antes de llegar a la falla. Además, es claro que en este tipo de materiales, el criterio que regirá el diseño no será el de deformación permanente (ya que el material tiene una rigidez muy alta) sino el agrietamiento del material por fatiga. 7. CONCLUSIONES En el método de diseño empírico-mecanicista, una de las características importantes a determinar de los materiales estabilizados es la ley de fatiga, la cual se utiliza para determinar cuál será el número de repeticiones que soportará el material antes de que se produzca la falla. Debido a lo anterior, en el Instituto Mexicano del Transporte se están llevando a cabo investigaciones sobre el comportamiento de materiales estabilizados, entre los que se pueden mencionar las arcillas y los materiales de base. En este artículo se presentaron sólo resultados de resistencia a la compresión simple, módulo de ruptura y las leyes de fatiga de una arcilla estabilizada con cemento. Como se observa de los resultados, la resistencia en compresión simple de la arcilla estabilizada con 8 % de cemento se incrementa alrededor de 10 veces comparada con la resistencia que se obtiene en condiciones naturales. Por otro lado, el material estabilizado se rigidiza de forma importante lo cual trae como consecuencia que el nivel de deformaciones que soporte antes de fallar es muy pequeño. También es claro que la velocidad de incremento de la resistencia de la arcilla estabilizada es muy importante en los primeros días de curado y para tiempos de curado largos, la resistencia tiende a disminuir. Con respecto a las leyes de fatiga, se observó que la ley de fatiga para un tiempo de curado de cero días (especímenes ensayados inmediatamente después de ser compactados) está por debajo de la que se obtiene para 14 días de curado, sin embargo, los modelos son aproximados ya que se requiere de un mayor número de ensayes para obtener una ley de fatiga más confiable. Además, es deseable que se lleven a cabo el mismo tipo de investigaciones para una mayor cantidad de materiales. 8. REFERENCIAS 1. PowerCem Technologies. Reporte de investigación del proyecto IE-11/09. 6 de Septiembre del 2010.PÉREZ Natalia GARNICA Paul RANGEL Daniel AGUADO Edgar |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
