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Introducción Cuando se lleva a cabo la construcción de una carretera, camino rural o terracería, el ingeniero se enfrenta a diferentes problemas, entre los cuales se encuentra el de la búsqueda de bancos de materiales para proveer al proyecto con los miles de metros cúbicos necesarios para la construcción o mantenimiento de las capas de la estructura. En algunas ocasiones los bancos de materiales pueden localizarse cercanos al proyecto, sin embargo, en otras, las distancias de acarreo pueden llegar a ser inconvenientes por los costos que implica. Adicionalmente, desde el punto de vista ecológico, la explotación de bancos a cielo abierto cada día es más cuestionados por el impacto negativo que genera al ecosistema de la región. Por otro lado, en casi todos los proyectos existen materiales cercanos que no cumplen con las propiedades especificadas por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes. Esto trae como consecuencia que se busquen soluciones para mejorar y hacer más eficiente en calidad y precio la construcción y mantenimiento de los sistemas tradicionales. Una de ellas es el uso de aditivos para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales que no cumplen especificaciones o que potencialicen las propiedades de aquellos materiales que sí cumplen; esto puede traducirse en una vida útil mayor y en menores costos de mantenimiento. El mercado de los aditivos es muy amplio, sin embargo, antes de decidir utilizar un aditivo como parte de los materiales de construcción de carreteras, es necesario verificar si el producto en realidad modifica o en qué medida mejora las propiedades del material en cuestión. El Instituto Mexicano del Transporte desde hace ya varios años lleva a cabo investigaciones para evaluar aditivos para su uso potencial en vías terrestres. En este artículo se presentan los resultados que se obtuvieron al evaluar un polímero de producción nacional. La estabilización de suelos El mejoramiento de las propiedades de los suelos se puede hacer mediante dos métodos: estabilización mecánica y estabilización química. El primero se refiere a un proceso de alteración de las propiedades del suelo cambiando su granulometría (mezclando con otros suelos) y posteriormente densificando por medio de un proceso de compactación. El segundo método promueve un cambio en las propiedades del suelo adicionando productos químicos como cemento, cenizas volantes, cal, entre otros. La estabilización química usa químicos y emulsiones como ayuda en la compactación. Estos pueden ser agentes repelentes de agua o agentes de unión. El material químico más efectivo será el que proporcione una matriz rígida y no soluble en agua (Swain, 2015). En los últimos años han aparecido en el mercado aditivos no tradicionales que son anunciados como: (a) se requiere una cantidad pequeña de aditivo y tiempos de curado cortos; (b) proporcionan altas resistencias y durabilidad superior. Pese a lo dicho anteriormente, y como consecuencia de la escasa investigación de varios de estos productos es difícil decidirse por el uso de ellos, ya que algunos se comportan bien en ciertos tipos de suelos o ambientes, pero se comportan mal en otros. Por otro lado, por su reciente introducción se desconocen los mecanismos de estabilización, etc. (U.S. Department of Agriculture, 2009). La información concerniente a estos nuevos aditivos son videos, folletos, etc. que testifican los beneficios de un aditivo, pero este tipo de información es subjetiva, ya que las propiedades ingenieriles no han sido bien documentadas (Santoni et al., 2003). Debido a la falta de información, uno de los retos que los ingenieros enfrentan en campo es decidir rápidamente qué aditivo aplicar y la cantidad de éste. En lo que sigue, se presenta la evaluación de uno de los aditivos que el Instituto Mexicano del Transporte ha estudiado durante dos años. En todo el documento se designará únicamente como polímero.
Arena en estudio y sus características El suelo utilizado en el estudio fue una arena muestreada en el Estado de Veracruz. De acuerdo con sus propiedades (Tabla 1), ésta se clasifica como una arena limosa uniforme (SP-SM). La granulometría indica que la mayor parte de la arena se encuentra entre tamaños de 0.1 y 1 mm (Figura 1). De la prueba de compactación Proctor estándar se encontró un contenido de agua óptimo de 15% y un peso volumétrico seco máximo de 17 kN/m3 (Figura 2).
Tabla 1. Resumen de las propiedades del suelo en estudio
Figura 1. Curva granulométrica del suelo natural.
Figura 2. Curva de compactación del suelo natural
El polímero De acuerdo con el fabricante, el polímero utilizado en el estudio es un estabilizador y mejorador de suelos de nueva generación. Es un polímero emulsificado base agua, no corrosivo y no contaminante (Figura 3). Funciona como un cementante y como un agente de unión que permite incrementar y optimizar la atracción molecular, controlar la expansión y la contracción lineal, aumentando el valor relativo de soporte y la resistencia a carga.
Figura 3. Aspecto del polímero estudiado
Preparación de los especímenes de prueba
El procedimiento de preparación de los especímenes se lista a continuación:
· Las condiciones de compactación para la fabricación de los especímenes eran inicialmente el contenido de agua óptimo y el peso volumétrico seco máximo, sin embargo, al preparar la arena con 15% de contenido de agua, el agua fluía durante la compactación. Por lo tanto, se decidió compactar con un 13% de contenido de agua (con una variación permitida de ±0.5%), y peso volumétrico seco de 16.3 kN/m3 (con variación de ±1%). · La cantidad de polímero fue del 8%. Para mezclar el polímero con el suelo se preparó una solución formada por 92% agua y 8% polímero, es decir, del 100% del agua de compactación, el 8% fue polímero. · Se mezcló el suelo con la solución de agua-polímero (Figura 4).
Figura 4. Preparación de la mezcla suelo-agua-polímero (8% de polímero)
· Después del mezclado, las muestras se fabricaron en el compactador giratorio en un molde de 10 cm de diámetro (Figura 5). Las variables de control en el giratorio fueron: 1. Velocidad de giro: 30 giros/minuto 2. Presión vertical: 300 kPa 3. Número de giros: 300 4. Ángulo de giro: 1.25º
Figura 5. Fabricación de los especímenes en el compactador giratorio.
· Posterior a la fabricación, los especímenes se midieron y se pesaron (Figura 6).
Figura 6. Registro de peso y dimensiones de las probetas
· Los especímenes se ensayaron después de cumplir alguna de las siguientes condiciones: 1. Después de compactarse, 2. Después de ser secados 7, 14 o 28 días (Figura 7a), 3. Después de ser secados 7, 14 o 28 días y humedecidos durante 14 días (Figura 7b), 4. Después de ser compactados y almacenados durante 7, 14 y 28 días.
Figura 7. Humedecimiento o secado de los especímenes
Resultados de resistencia a compresión simple
La prueba de compresión simple es una prueba que de forma rápida proporciona la resistencia de un material. Ésta consiste en colocar el espécimen en un equipo para aplicarle carga hasta hacerlo fallar y determinar su resistencia máxima. Las pruebas realizadas en esta investigación se llevaron a cabo a una velocidad de 1.2%/min.
En las Figuras 8 y 9 se muestran las curvas esfuerzo-deformación de los especímenes que se ensayaron después de haber sido compactos y de los que se secaron durante 7, 14 o 28 días. Los resultados corresponden a arena natural y arena con polímero.
Figura 8. Resistencia a compresión de especímenes de suelo natural.
Figura 9. Resistencia a compresión de especímenes de arena-polímero
De las pruebas de resistencia a compresión simple de los especímenes ensayados después de compactar se observó que ambas mezclas (suelo-agua y suelo-agua-polímero) presentan resistencias casi nulas como lo indican la Figura 8 y 9. Por tanto, para esta condición no se observaron diferencias.
Para la condición de 7, 14 y 28 días de secado, los resultados indicaron que los especímenes que contienen el polímero tienen una resistencia superior a los especímenes de suelo natural (Figura 8 y 9). Además, también se observa que entre 7 y 14 días de secado, la resistencia se incrementa al doble. A mayor tiempo de secado (28 días) ya no se observa un incremento importante de la resistencia.
La resistencia a la compresión simple también se obtuvo para especímenes que después de haber sido compactados se envolvieron en plástico para que no perdieran agua. Los tiempos que se dejaron en almacenamiento fueron 7, 14 y 28 días. La Figura 10 muestra que, aunque los especímenes contienen el polímero, la resistencia del suelo es baja en un rango de 10 a 13 kPa (0.1-0.13 kg/cm2). Se observa que, aunque la muestras se almacenen por varios días, la resistencia se incrementa marginalmente. De esto se concluye, que para que el aditivo tenga un buen desempeño, el material mejorado con el producto debe someterse a secado durante un cierto período.
Figura 10. Resistencia a compresión de especímenes de suelo estabilizado con polímero. Muestras que se almacenaron después de compactarse.
Los resultados de las Figuras 8, 9 y 10 se pueden resumir en una gráfica única (Figura 11). En ésta se observa claramente como se incrementa la resistencia del suelo que tiene aditivo y que se somete a secado a diferentes tiempos. En el caso del suelo natural al que se permite secado, la resistencia en compresión simple se mantiene prácticamente constante y es muy baja comparada con la que presenta el suelo con aditivo. Por otro lado, en la misma figura se muestran los resultados del suelo que tiene polímero, pero después de compactarse solo se almacena durante diferentes períodos. Los resultados indican que, aun cuando el suelo contenga polímero, si no se permite secado, la resistencia es casi nula.
Figura 11. Incremento de la resistencia respecto al tiempo.
Cuando se llevan a cabo investigaciones de aditivos es importante verificar las propiedades mecánicas del suelo estabilizado en el caso que éste incremente su contenido de agua por alguna circunstancia. Para evaluar este efecto, en el estudio se compactaron varios especímenes que se sometieron a 7, 14 o 28 días de secado y posteriormente se sometieron a 14 días de humedecimiento mediante capilaridad. Posterior al humedecimiento, se almacenaron durante 14 días para que el agua se redistribuyera mejor en todo el cuerpo de los especímenes. Después, se ensayaron en la prueba de resistencia a compresión simple.
Los resultados indicaron que los especímenes que tenían polímero perdieron parte de su resistencia; los que se secaron 7 y 14 días perdieron 50% de resistencia comparado con la resistencia obtenida de especímenes que únicamente se secaron por los mismos tiempos. En cuanto a los especímenes que se secaron por 28 días, los especímenes pierden alrededor de 70 % de su resistencia (Figura 12). Aunado a lo anterior, también es conveniente señalar que los especímenes de suelo natural que se secaron durante 7, 14 y 28 días y se ponen a humedecer, absorben agua rápidamente, por lo que una vez que las muestras están completamente humedecidas, pierden toda su resistencia y colapsan por peso propio, por esto, no se pudieron llevar a cabo pruebas de resistencia con especímenes de suelo natural con la condición de secado y humedecimiento; por otro lado, el suelo estabilizado con el polímero tiene una altura capilar baja, lo que indica que el polímero sí impermeabiliza el suelo en cierto grado (Figura 13).
Figura 12. Resistencia a la compresión simple de muestras que se secan y se humedecen.
Figura 13. Absorción de agua de muestras estabilizadas con polímero y una muestra se suelo natural.
Otro punto importante a señalar para las probetas que se humedecieron durante 14 días, es que también se almacenaron durante 14 días antes de ensayarse para que el agua se distribuyera en todo el cuerpo del espécimen, sin embargo, no fue así, las probetas solo estaban húmedas en la parte superior e inferior (ya que se sometió a humedecimiento por ambas caras). Esto provocó que, durante las pruebas de compresión simple, las probetas fallaran por la parte más húmeda (Figura 14).
Figura 14. Falla de los especímenes humedecidos.
Conclusiones De los resultados obtenidos en este estudio se puede concluir que el polímero sí mejora la resistencia a compresión de la arena siempre y cuando después de compactarse se permita tiempo de secado. Por otro lado, es claro que la resistencia a compresión simple del suelo natural y que se secó durante diferentes períodos, está muy por debajo comparada con la de la arena que tiene el polímero. Si el suelo natural gana agua, colapsa por peso propio. En cambio, el suelo que tiene el polímero absorbe poca agua y pierde solo parte de su resistencia. El suelo con polímero absorbe muy poca agua por capilaridad en comparación con la que absorbe el suelo natural.
Referencias Santoni, R., Tingle, J., y Nieves, M. (2005). Accelerated strength improvement of silty sand using nontraditional additives. TRB 2003. Annual Meeting CD-ROM. August, 2002.
Swain, K. (2015). Stabilization of soil using geopolymer and biopolymer. Master thesis. Department of Civil Engineering. National Institute of Technology. Rourkela.
Stabilization Selection Guide for Aggregate and native-surfaced low volume roads. U.S. Department of Agriculture. Forest Service, 2009.
Reporte de Proyecto IE-15/17. Evaluación del aditivo TECNOSOIL. Segunda fase.
PÉREZ Natalia PÉREZ Alfonso CERVANTES Miguel GARNICA Paul |
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