ESTABILIZACION DE SUELOS

Como el nombre lo indica, con este recurso se pretende hacer más estable a un suelo. La primera y la que siempre acompaña a todas las estabilizaciones, es la de aumentar la densidad de un suelo, compactándola mecánicamente. La segunda estabilización usada es la de mezclar a un material de granulometría gruesa, otro que carece de esa característica. Finalmente, está el recurso de estabilizar un suelo mezclándole cemento portland, cal hidratada, asfalto o cloruro de sodio. El uso de la cal está limitado a suelos que contengan minerales arcillosos, con los cuales hacer la “acción puzolánica”que lentamente cementando las partículas del suelo. La utilidad de la cal es para aquellos casos en los que no se necesite pronta resistencia. Este aglomerante es muy adecuado para bajar la plasticidad de los suelos arcillosos o para contrarrestar el alto contenido de humedad en terracerías o en bases y subbases, siempre que éstas no sean muy arenosas.El ingeniero de pavimentos debe recordar que la estabilización es un asunto económico.

Los siguientes casos pueden justificar una estabilización:

a) Un suelo de subrasante desfavorable, o muy arenoso, o muy arcilloso.b) Materiales para base o subbase en el límite de especificaciones.c) Condiciones de humedad.d) Cuando se necesite una base de calidad superior, como en una autopista.e) En repavimentación, aprovecjhando los materiales existentes.

Los materiales más usados para mezclarlos con suelo para formar capas de pavimento son: el cemento, la cal y el asfalto.

SUELO- CEMENTO.-

La estabilización de suelo con cemento portland, es la más ampliamente usada en el mundo. Es muy sencilla de hacer y no se necesita equipo especial de construcción. En nuestro país no se han usado mucho las capas de subsuelo-cemento. Sólo se emplea como un material que sirve para disminuir la plasticidad en suelos dçfuera de especificaciones.

Este papel de modificador, es muy limitado para el cemento.

Al mezclar un suelo con cemento, se produce un nuevo material, duro, con mejores características que el usado como agregado. Esta estabilización no es tan sensible a la humedad como la hecha en asfalto. Pueden usarse todos los suelos para efectuarla, excepto los altamente orgánicos, aunque los más convenientes son los granulares, de fácil disgregado. Los limos, la arenas limosas y arcillas, todas las gravas y las arenas, son agregados adecuados para producir este material suelo-cemento,que tienen excelentes cualidades, que respecto a la de los suelos granulares son:

Es más resistente y como capa base reparte las cargas a una mayor área, permitiendo así reducir el espesor de las capas. Espesor de suelo-cemento = 0.6 espesor suelogranular.

a) Tiene mayor módulo de elasticidad.b) Es más impermeable.c) Es muy resistente a la erosión del agua.d) En presencia de la humedad, en lugar de perder resistencia, la aumenta bastante.e) Al secarse no pierde compactación, como muchos suelos granulares.f) Su resistencia aumenta bastante con el tiempo. Es mayor ese incremento que en el concreto normal.

La cantidad de cemento necesaria varia con el tipo de suelo, siendo menor si el suelo es poco arcilloso. Para limos finos arenosos, con 50 kg m· de suelo compactado, puede producirse una base o subbase de buena calidad. Con cantidades de cemento de 100 kg/m3 de suelo compactado, se obtiene un material para base que supera al obtenid con grava triturada y con menor costo. Estas cantidades de cemento corresponden a un 3 a 6% en peso.

El criterio de diseño de las mezclas suelo-cemnto es para obtener un material de mayor resistencia. No sólo se debe pensar en disminuir plasticidad. La resistencia es a la compresión, efectuada en probetas cilindricas elaboradas según el molde AASHO estándar, con energía de compactación “estándar” y una humedad óptima.El procedimiento de construcción consta de las fases siguientes:

a) Pulverización o desgrumado.

b) Mezclado de cemento y agua.c) Compactaciónd) Curado de unos 7 días.

En el suelo-cemento, al principio de su uso, sobre todo en los EEUU, el criterio de diseño de las mezclaS era durabilidad del material, determinando su valor en pruebas de congelamiento-dehielo y humedecimiento-secado.Hoy son muchos los paises que diseñan las mezclas en función de su resistencia a la compresión isn confinar.

Resistencia a la compresión sin confinar, en kg/cm2

California Clase A, más de 5% de cemento, 52 a 7 díasCalifornia Clase B, más de 4% de cemento, 28 a 7 díasTexas................................... 50 a 7 díasInglaterra, tránsito ligero............. 17 a 7 díasInglaterra, tránsito pesado............. 28 a 7 días

El requisito de compactación es igual que para suelos no tratados con cemento, 95% mínimo. El control de compactación no difiere del tradicional, excepto que en el suelo-cemento no se debe determinar el “peso volumétrico seco máximo.

SUELO-CAL.-

El uso de cal para mejorar suelos con mayor plasticidad, aparte de conseguir ese fin, aumenta también su resistencia a la compresión sin confinar, produciendo una textura granular más abierta.

La cantidad de cal es de un 2 a 8% en peso. Para que la cal reaccione convenientemente se necesita que el suelo tenga minerales arcillosos, o sea sílice y alumina, y se pueda lograr la acción puzolánica, que aglomerará adecuadamente las partículas del suelo esto debe recordarlo el ingeniero de pavimentos. El suelo-cemento adquiere su resistencia rápidamente, ya que solo se necesita que el cemento se hidrate adecuadamente. En cambio el sulo-cal, necesita la reacción química de los iones calcio y los minerales arcillosos, que lentamente adquieren resistencia. En cambio el suelo-cal, necesita la reacción química de los iones calcio y los minerales arcillosos, que lentamente adquieren resistencia. Una capa subbase para pavimento de concreto hecho de suelo cemento, permite iniciar la colocación de cimbras al rendir la comopactación y empezar a colocar concreto a los dos días. Una ventaja del suelo cal es que su period de curado puede iniciarse más tarde, en cambio, el suelo-cemento requiere curado inmediato. Por lo general, las arenas no reaccionan favorablemente con la cal y no pueden estabilizarse con ella.

El éxito de la estabilización con cal, no solo para disminuir plasticidad, sino para adquirir resistencia, es el tipo de suelo o el tipo de mineral arcilloso que contenga.

El criterio para diseñar en el laboratorio las mezclas, sulo-cal, depende del papel que vaya a desempeñar la cal:

a) Modificador de plasticidad o humedad.b) Proporcionador de resistencia.

Para verificar si un suelo pierde plasticidad mezclándolo con cal, se determina su índice de plasticidad y su porcentaje de contracción lineal antes y después de agregar la cal.

Cuando se desea adquirir resistencia, existe el problema de que no todos los suelo desarrollan rápido su resistencia con la cal, por lo que en Texas han establecido el criterio de que si una mezcla suelo cal se prueba a la compresión sin confinar inmediatamente después de compactarse, si se obtienen 7 kg/cm^2, la mezcla es adecuada.

El precedimiento de construcción tiene la s mismas fases que las del suelo cemento.

SUELO-ASFALTO

En algunos casos conviene estabilizar un material usando algún producto asfáltico para elaborara capas base o subbase. A estas base asfálticas también se los conoce como base negras. El uso de productos asfálticos (aslfatos rebajados, emulsiones asfálticas y cemento asfálticos) está limitado a suelos granulares o de partículas gruesas. Es muy difícil estabilizar un material arcilloso, por los grumos de esos suelos. La estabilización con asfalto puede tener dos fines:

a) Reducir la absorción de agua del material, usando poca cantidad de asfaltob) Incrementar la resistencia de un material usando mayor cantidad de asfalto, como en las base asfálticas.

Opciones de Estabil ización de Suelos

Cuando se trata de cimentaciones superficiales, ya sea de zapatas, o bien de losas de cimentación para edificación o cuando se trata de construir una estructura para un pavimento, por ejemplo, en muchas ocasiones nos encontramos con que el suelo del sitio, al nivel en que requerimos apoyar nuestra estructura, se encuentra formado por un material de características inadecuadas.

En este caso nos referiremos específicamente a un suelo arcilloso, de características plásticas, con riesgo de sufrir cambios volumétricos con los cambios de su humedad, y con una baja capacidad de soporte. Concretamente tenemos un suelo que debemos estabilizar para poder utilizarlo sin problemas.

Para tener una mayor claridad del problema tratado, sigamos el procedimiento de hacernos algunas preguntas previas para así aclarar los conceptos:

Iniciemos por preguntarnos ¿Con que objeto estabilizamos un suelo?.

La estabilización de un suelo consiste en modificar algunas de sus características indeseables para el propósito de uso que queremos darle a dicho suelo. Entonces, si el suelo va a ser empleado para apoyar a una cimentación, ya sea para cimentación de una edificación o bien de un pavimento, las principales características indeseables de una arcilla plástica serán: Un Indice Plástico demasiado alto que significa un alto valor de expansión (o bien su opuesta contracción), así como una capacidad para soportar carga que será demasiado baja

Y ¿Cómo podemos llevar a cabo la estabilización de la arcilla a que anteriormente se hace mención?.

Bueno, en realidad existen diferentes formas de tratar de estabilizar una arcilla plástica, sin embargo en este artículo se tratará solo uno de los métodos más antiguos empleados en la construcción, que consiste en mezclar la arcilla con cal. Mucho se ha escrito y dicho sobre el empleo de la cal para la estabilización de arcillas, y muchas han sido las formas de llevar a cabo el procedimiento. En primer lugar se debe aclarar que el emplear la llamada “cal viva” con dicho propósito, no presenta ventajas y si presenta las concernientes desventajas de su manejo.

En este artículo me enfocaré sólo al uso de cal hidratada, del tipo más comercial y de calidad más uniforme. Uno de los más graves problemas cuando se trata de mezclar la arcilla con la cal, es el obtener una distribución razonablemente uniforme. Existe equipo mecánico de construcción para obtener una mezcla más homogénea de ambos productos, sin embargo esto no nos libra de las grandes nubes de polvo de cal tan perjudiciales tanto para el personal que hace el trabajo como para las personas que se encuentren en los alrededores del sitio en el cual se hace el trabajo.

Para evitar el problema que se mencionada en el párrafo anterior, se han hecho pruebas y se ha llegado a practicar un procedimiento mucho más simple, el cual consiste en aplicar la cantidad de cal calculada en el diseño de la estabilización, incorporándola en el agua que se agrega al material arcilloso para proporcionar el grado de humedad óptimo para su compactación, eliminando con ello la indeseable dispersión de cal, así como simplificando enormemente la protección al personal que interviene en los trabajos.

Cuando un proyecto de estabilización de un suelo arcilloso con cal es adecuado, y se aplica correctamente, deber poder observarse claramente el efecto del factor tiempo, es decir que la capacidad de soporte del suelo continuará.

Estabilización de arcilla con cal, Método GAN

Es conocido desde hace muchos años, el procedimiento de mezclarle cal a una arcilla plástica, con objeto de abatir su plasticidad así como de incrementar su capacidad para soportar esfuerzos. Y también, durante muchos años, han sido normalizados una serie de

procedimientos para llevar a cabo dicha incorporación, lograr obtener una mezcla

homogénea así como establecer algún tipo de control que nos permita verificar resultados.

También han sido legendarias las grandes dificultades que se tienen al pretender

aplicar los procedimientos establecidos en una obra determinada. Han sido probados

diferentes procedimientos para lograr una mezcla uniforme de cal y arcilla. Se ha intentado

por ejemplo, disgregar una capa de arcilla plástica empleando desde arados agrícolas,

pasando por motoconformadoras hasta el uso de diversas máquinas con tambores disgregadores de variados tamaños y diseños. Una vez disgregada la capa de arcilla, se ha pretendido incorporarle un cierto porcentaje de cal, siguiendo diversas instrucciones ya sea que indiquen que la cal sea manejada en sacos y el contenido de ellos sea distribuido conforme a una cuadrícula previamente trazada y calculada para tener una relación

conforme al porcentaje que deberá aplicarse, o bien por algunos otros procedimientos que

pueden incluir hasta la aplicación de la cal a granel.

Es ya perfectamente conocido que la cal obra un favorable efecto en el comportamiento de una arcilla plástica, al modificar el valor de sus Límites de Consistencia (Límites de Atterberg). En infinidad de pruebas llevadas acabo durante el transcurso del tiempo, se ha encontrado que el valor del Límite Líquido de una arcilla plástica tiende a incrementarse cuando dicha arcilla es mezclada con cal. Al producirse dicho incremento en el valor del Límite Plástico, como consecuencia lógica, el Indice Plástico tenderá a disminuir de valor, lo cual a su vez quiere decir que se mejora el comportamiento plástico de la arcilla tratada, para lo fines generalmente buscados en la construcción.

El problema consiste en que al considerar la estabilización de la arcilla por medio de la incorporación de la cal pensando en una “mezcla de dos materiales”, como si se tratase de una estabilización granulométrica, se ocasionan varias situaciones prácticas desfavorables por varias razones:

a). Las maniobras para el manejo de la cal requieren de precauciones especiales para proteger al personal que interviene en ellas, las cuales en muchas obras no se aplican con el rigor debido y con consecuencias que pueden ser serias.

b). La contaminación ambiental producida por el polvo de cal durante la incorporación se agrava seriamente cuando los trabajos se llevan a cabo en áreas pobladas, sin que lo anterior signifique que no se presenta contaminación seria en áreas rurales con el empleo del sistema en la construcción de caminos, por ejemplo.

c). El mezclar el polvo de cal con la arcilla plástica, pude presentar un alto grado de dificultad. Si la arcilla se encuentra muy seca, tiene a presentar grumos muy duros y difíciles de romper, y si la arcilla contiene algo de humedad, se incrementará la posibilidad de formación de grumos blandos, en los cuales, si se rompen para ser examinados, se podrá apreciar claramente la tendencia a formar un núcleo interior de cal, rodeado de arcilla indicando una mala incorporación.

El método aquí brevemente expuesto, consiste en hacer las consideraciones

siguientes:

PRIMERO. Considerar que la estabilización de la arcilla plástica con cal no es

una estabilización granulométrica,

SEGUNDO. Cuando una arcilla expansiva y de baja capacidad de soporte, presenta una tendencia ácida, con un pH (potencial Hidrógeno), de valor bajo, inferior a 7, y dicho valor es elevado a un valor de pH adecuado, su comportamiento en cuanto a valores de expansión, fuerza de empuje durante la expansión misma, así como su capacidad de

soporte variarán: Su expansión se atenúa sensiblemente; la fuerza de empuje disminuye y

su capacidad de soporte se incrementa.

TERCERO. Si a la arcilla disgregada, no se le agrega cal en polvo, sino que únicamente se modifica el pH del agua que se va a emplear (agregando la cal a dicha agua), hasta que se obtenga un valor de pH adecuado (además notará la pequeña cantidad de cal que requiere para lograrlo), y esta agua modificada se emplea, sin escatimar, para proporcionar la humedad óptima requerida por la arcilla para su homogeneización y

compactación, se dispondrá de un método relativamente sencillo para estabilizar las arcillas plásticas en la gran mayoría de sus tipos y características particulares.

CUARTO. No olvide preparar un tramo de prueba, que no sufra alteraciones, con la arcilla plástica estabilizada, tendida y compactada, el cual pueda ser muestreado con una diferencia de cada dos semanas, verifique los resultados obtenidos en cuanto a Indice Plástico y valor de V.R.S. Estándar Saturado, por ejemplo; lleve una gráfica adecuada y podrá notar si hay alguna diferencia en relación con el tiempo transcurrido.

Articulo Escrito por: Ingeniero Guillermo Arizpe Narro; soluciones a particulares o a profesionales sobre problemas de ingeniería en: Pavimentos, Cimentaciones, Problemas en concreto hidráulico, Geotecnia Aplicada